機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)——葡萄采摘機(jī)

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1、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)——葡萄采摘機(jī) 一、 立題依據(jù) 1、研究目的及意義 設(shè)施農(nóng)業(yè)已成為農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收最直接、 最有效的途徑之一， 但溫室內(nèi) 工作環(huán)境惡劣， 急需開(kāi)發(fā)相關(guān)的機(jī)械化作業(yè)裝備。 溫室內(nèi)的茄果類和瓜果類的年 栽培期可長(zhǎng)達(dá) 9 個(gè)月以上，采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大， 非常有必要開(kāi)發(fā)該類果蔬的采摘機(jī) 器人，特別是其利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于大田或果園的果蔬自動(dòng)化采摘裝備， 經(jīng)濟(jì)效益顯 著，更有可能率先得到應(yīng)用。 使用農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率， 解決勞動(dòng)力 的不足，可以改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境， 防止農(nóng)藥、 化肥等對(duì)人體的傷害， 同時(shí)提高作 業(yè)質(zhì)量。 機(jī)器人應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中， 特別是設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程， 是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向自

2、 動(dòng)化和智能化發(fā)展的標(biāo)志。 2、葡萄采摘機(jī)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 最早的機(jī)械采摘方法是采用機(jī)械振搖式和氣動(dòng)振搖式， 但果實(shí)容易損壞， 效 率不高， 而且容易摘到不成熟的果實(shí)。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展， 農(nóng)業(yè)機(jī)器人在同外 迅速發(fā)展起來(lái)。自從20世紀(jì)60年代（1968年）美國(guó)人Schertz和Brown提出用機(jī) 器人采摘果實(shí)之后，對(duì)采摘機(jī)器人的研究受到廣泛重視。 1983 年第一臺(tái)采摘機(jī) 器人在美國(guó)誕生，在以后 20多年的時(shí)問(wèn)里，日本及歐美等國(guó)家相繼研究了采摘 蘋(píng)果、柑橘、番茄、葡萄和西瓜等的智能機(jī)器人。 我國(guó)采摘機(jī)器人的研究起步雖 然比較晚，但目前也逐步發(fā)展起來(lái) 如中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的張鐵中等人對(duì)草莓收獲機(jī) 器

3、人進(jìn)行了試驗(yàn)性的研究，東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機(jī)器人， 上海交通大學(xué)正在進(jìn)行黃瓜采摘機(jī)器人的研究等。 目前，比較典型的有番茄采摘 機(jī)器人、草莓采摘機(jī)器人、葡萄采摘機(jī)器人及林木球果采摘機(jī)器人等。 采摘機(jī)器人作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的一種類型，目前在日本、美國(guó)、荷蘭等國(guó)家 已有研制和初步使用，主要用于采摘番茄、黃瓜、草莓、葡萄、西瓜、甜瓜、蘋(píng) 果、柑桔、甘藍(lán)等蔬菜和水果，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α? 日本岡山大學(xué)研制出了一種用于果園棚架栽培模式的葡萄采摘機(jī)器人，如 圖 5 所示。葡萄采摘機(jī)器人的機(jī)械部分是一只具有 5 個(gè)自由度的極坐標(biāo)機(jī)械手， 末端的臂可以在葡萄架下水平勻速運(yùn)動(dòng)， 能夠有效地工作。

4、 視覺(jué)傳感器一般采用 彩色攝像機(jī)，若采用 PSDj 維視覺(jué)傳感器效果會(huì)更佳，可以檢測(cè)成熟果實(shí)及其距 離信息的三維信息。由于葡萄采摘季節(jié)很短，單一的采摘功能會(huì)使機(jī)器人的使用 效率降低，為提高其使用率，可更換不同的末端執(zhí)行器，以完成葡萄枝修剪、 套 袋和藥物噴灑等作業(yè)。 圖5葡萄采摘機(jī)器人 研究方案 采摘機(jī)器人形式多樣，但主要由機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視覺(jué)系統(tǒng)、控制系 統(tǒng)與行走系統(tǒng)等部分組成。本文對(duì)采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作性能進(jìn)行了分析。 1、 視覺(jué)傳感器 視覺(jué)是人類最重要的感覺(jué)之一，人們從外界環(huán)境獲取的信息中，百分之七十 以上是由視覺(jué)完成的，因此視覺(jué)信息處理是當(dāng)前信息研究的核

5、心任務(wù)之一， 機(jī)器 人視覺(jué)就是給機(jī)器人裝上視覺(jué)傳感器， 模擬人的視覺(jué)功能，從圖像或圖像序列中 提取信息，對(duì)客觀世界進(jìn)行形態(tài)識(shí)別，使機(jī)器人完成許多艱巨的任務(wù)。 視覺(jué)傳感 器主要由彩色攝像機(jī)來(lái)尋找和識(shí)別成熟的葡萄， 利用雙目視覺(jué)方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定 位。收獲時(shí)，由視覺(jué)系統(tǒng)計(jì)算采摘目標(biāo)的空間位置， 接著采摘機(jī)械手移動(dòng)到預(yù)定 位置，進(jìn)行采摘。 2、 采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) （1）機(jī)械臂基本結(jié)構(gòu) 根據(jù)項(xiàng)目方案書(shū)，采摘作業(yè)對(duì)象為溫室栽培，果實(shí)高度基本分布在離地高 度200. 1400mm的位置。機(jī)械臂安裝在移動(dòng)小車上，在小車上的安裝位置離地 高400mm左右。 綜合考慮了機(jī)械臂的操作空間、冗余空間、姿

6、態(tài)靈活性等因素，決定采用 5旋轉(zhuǎn)自由度及一移動(dòng)自由度的方案，為便于研究和表述，現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂各部分結(jié) 構(gòu)名 稱作統(tǒng)一規(guī)范，依據(jù)人手臂分別命名為腿部，軀干，大臂，小臂，關(guān)節(jié)部 分根據(jù)關(guān) 節(jié)軸線方向相應(yīng)命名為移動(dòng)，腰扭，肩轉(zhuǎn)，肘轉(zhuǎn)，腕轉(zhuǎn)和腕扭，如圖 所示。 （2）、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng) 目前主流的采用PC作為主控器的運(yùn)動(dòng)控制方式有以下兩種： 1采用插在 PC上運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。2.采用CAN總線的方式來(lái)對(duì)節(jié)點(diǎn)上的電機(jī) 進(jìn)行控制。前者成本高，控制精度高，實(shí)時(shí)性能好，多用于高精密的數(shù)控加工系 統(tǒng)，但是可擴(kuò)展性差，一般購(gòu)買(mǎi)的運(yùn)動(dòng)控制卡都有控制軸數(shù)的限制， 如果控制軸 數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致成且成本

7、低，在控制精度、實(shí)時(shí)性、同步性上也都能夠達(dá)到要求。 因此采用方案2對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。其硬件組成包括通用PC機(jī)或工控機(jī)，基于PCI 總線的高性能的 ZLG-PCI5 110 Aceelnet Micro Micro Module CAN 卡、Copley Panel和Copley StepNet伺服驅(qū)動(dòng)器，直流有刷電機(jī)安裝了 HEDL 5540型500線 光電編碼器、步進(jìn)電機(jī)則直接用脈沖數(shù)來(lái)控制位置，機(jī)械臂的整體控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖如圖所示。 祥 PCI$ "CAN~ 接口卡 電機(jī)及 編碼器 騾動(dòng)器 編碼器 丙機(jī)及 編碼器 機(jī)械臂本體 其它驅(qū)動(dòng)器 與設(shè)備… 圖5J機(jī)械臂

8、控制系統(tǒng)結(jié)柯圖 3、末端執(zhí)行器 葡萄采摘機(jī)械手進(jìn)行采摘作業(yè)時(shí)， 末端執(zhí)行器模擬人手采摘?jiǎng)幼?，抓住果?shí), 完成果實(shí)與花梗分離，需要手腕通過(guò)繞j軸旋轉(zhuǎn)和繞i軸回轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。下圖為葡 萄采摘機(jī)械手手腕關(guān)節(jié)形式： 1 ?機(jī)械手末桿關(guān)節(jié)2?末端執(zhí)行器3?采摘冃標(biāo) 葡萄采摘屬于小漿作業(yè)，采摘過(guò)程中避免損傷果實(shí)也是設(shè)計(jì)過(guò)程中我們必 須考慮的重要問(wèn)題。運(yùn)用 “復(fù)合材料”原理，可以采用柔軟的復(fù)合材料作為末 端執(zhí)行器的材料，這樣操作起來(lái)比較麻煩。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以設(shè)計(jì)一種裝 置，在收獲時(shí)不直接接觸果實(shí)本體，執(zhí)行器對(duì)果梗進(jìn)行作業(yè)，摘落的果實(shí)在裝在 末端執(zhí)行器端部的小型抽風(fēng)機(jī)的作用下，回收到回收裝置

9、（設(shè)想軟質(zhì)袋子），再由 人工定時(shí)更換回收裝置，即可完成采摘。 圖6 收獲末端執(zhí)行器 三、總結(jié) (1) 采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)器人設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否是影 響機(jī)器人的工作效率和工作性能的重要因素。 (2) 機(jī)械手機(jī)構(gòu)的工作性能指標(biāo)是評(píng)價(jià)機(jī)器人工作性能的主要參數(shù)。分析影 響其性能指標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，是改善機(jī)器人工 作性能的有效途徑。 (3) 機(jī)械手的性能指標(biāo)研究是冗余度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)參數(shù)合理選擇的依據(jù)，對(duì)機(jī) 械手逆運(yùn)動(dòng)學(xué)研究具有重要意義。 (4) 隨著農(nóng)業(yè)種植模式的逐步規(guī)范化，果實(shí)采摘機(jī)器人必將具有廣闊的應(yīng)用 前景。為提高工作效率和改善機(jī)械手性能，結(jié)

10、合具體的工作要求和工作 對(duì)象特性，采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化等方面仍有待于進(jìn)一步深入 研究。 參考文獻(xiàn) : 1、胡挺。論文《果蔬采摘機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)研究》 。 2、梁喜鳳，苗香雯，崔紹榮，王永維， 《果實(shí)采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與工 作性能分析》，農(nóng)機(jī)化研究所 2004年 3月。 3、劉繼展 李萍萍 李智國(guó)《番茄采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器的硬件設(shè)計(jì)》 ， 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2008年 3月。 4、王麗麗，郭艷玲，王迪，劉幻《果蔬采摘機(jī)器人研究綜述》 ，林業(yè)機(jī) 械與木工設(shè)備第 37卷 第 1期2009年 1月。 5、王麗麗 陳廣勝 趙 輝《基于 TRIZ 理論的藍(lán)莓采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)》 ，東 北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2009年 6 月。