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簡(jiǎn)易手動(dòng)球形水果采摘器設(shè)計(jì)
摘 要
本課題運(yùn)用制圖軟件對(duì)采摘器進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),可伸縮夾取式采摘機(jī)械是一種為解決人們采摘高處果實(shí)難而創(chuàng)新設(shè)計(jì)的工具,同時(shí)本設(shè)計(jì)大大的方便了農(nóng)民工采摘油茶果的過(guò)程及采摘效率的提高。設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)內(nèi)容包括:采摘機(jī)構(gòu)、可伸縮桿機(jī)構(gòu)、和收集機(jī)構(gòu)并用solidworks軟件繪制了機(jī)構(gòu)的三維圖以助理解??缮炜s夾取式油茶球形果實(shí)采摘機(jī)構(gòu)主要采用了采摘機(jī)攜手和鋁合金管可伸縮機(jī)構(gòu),采摘寬度范圍較大效率高、伸縮長(zhǎng)短可調(diào)節(jié),采摘較靈活省力,果實(shí)由鋁合金管的旁邊的引導(dǎo)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(jī)構(gòu)又使其質(zhì)量較輕,便于攜帶,經(jīng)投產(chǎn)和改進(jìn)后可望解決農(nóng)民朋友對(duì)于直徑相近球形果實(shí)的采摘難題,市場(chǎng)前景廣闊。
關(guān)鍵詞:可伸縮性;球形水果;采摘;夾取式;機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。
第2章 緒論
2.1 課題背景及意義
中國(guó)是世界上最大的水果出產(chǎn)國(guó),居全球13個(gè)產(chǎn)量超1000萬(wàn)噸的國(guó)家之首。水果采收作為果園生產(chǎn)全過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),具有季節(jié)性強(qiáng)和勞動(dòng)密集型的特點(diǎn),所用勞動(dòng)力占整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程所用勞動(dòng)力的35%~45%[1]。近年來(lái),隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)的調(diào)整,林果生產(chǎn)已經(jīng)成為很多地區(qū)經(jīng)濟(jì)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(kuò)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(jī)械化日益重要。果園收獲機(jī)械的發(fā)展,可以減輕果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高生產(chǎn)效率,節(jié)約勞動(dòng)成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。
我國(guó)果園作業(yè)機(jī)械研究起步較晚,基礎(chǔ)相對(duì)較差,因此,果園作業(yè)機(jī)械化程度和歐美等國(guó)家還是存在差距。由于現(xiàn)代大型采摘機(jī)器太過(guò)昂貴,并且大型采摘機(jī)器僅適用于面積較大的果園大規(guī)模作業(yè)采摘,對(duì)于小作業(yè)果園而言,考慮到經(jīng)濟(jì)效益,不得不放棄大型機(jī)械采摘這種高效率作業(yè)。目前我國(guó)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(qiáng)。單純的人工采摘,不僅效率低、勞動(dòng)量大,而且極易造成果實(shí)的損傷,同時(shí)由于依靠人工作業(yè)耗時(shí)耗力導(dǎo)致未能在果實(shí)的最佳采摘期將其采摘下來(lái)造成經(jīng)濟(jì)損失[2]。針對(duì)這種現(xiàn)狀,采用簡(jiǎn)易的人工采摘器既能降低在采摘過(guò)程中對(duì)果實(shí)果樹(shù)造成的損傷又可以減輕人們的勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)省成本、提高效率。這種手動(dòng)采摘器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,容易操作,安全舒適的優(yōu)點(diǎn),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(jī)器相比結(jié)構(gòu)更具經(jīng)濟(jì)效益。加之未來(lái)人口老齡化趨勢(shì),人工成本必會(huì)上升,因此輔助人工采摘器必將具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的應(yīng)用前景。
2.2 課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
目前,國(guó)外水果采摘分為兩種采摘方式:機(jī)械化采摘和機(jī)器人采摘。
機(jī)械化采摘:在發(fā)達(dá)國(guó)家,由于勞動(dòng)力成本較高和人口老齡化等問(wèn)題,在水果生產(chǎn)中不得不利用機(jī)械化方式代替人工進(jìn)行采收作業(yè)。但是,到目前為止,真正在生產(chǎn)中使用機(jī)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(jìn)行銷(xiāo)售的水果,基本上還是手工采收或機(jī)械輔助采收。早在20世紀(jì)40年代初,美國(guó)、法國(guó)等一些西方國(guó)家對(duì)水果采摘機(jī)械就展開(kāi)了研究。40年代中期美國(guó)開(kāi)始著手研究振搖式水果采摘機(jī)械。50 年代中期,出現(xiàn)了用拖拉機(jī)來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的振搖采摘機(jī) [3]。從60年代起,歐美一些國(guó)家(美國(guó)、德國(guó))以及澳大利亞、日本等國(guó),隨著勞動(dòng)力成本的日益上漲,果品收獲機(jī)械正越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于多種果品的采收過(guò)程中。目前,常用的果品收獲機(jī)多采用振動(dòng)方式使果實(shí)與植株分離。隨著升降平臺(tái)的出現(xiàn),接著產(chǎn)生了各種動(dòng)力切割式采摘機(jī)械,例如油鋸、氣動(dòng)剪,大大提高了采摘效率。
機(jī)器人采摘:20世紀(jì)60年代美國(guó)最早開(kāi)始研究果蔬采摘機(jī)器。隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展,特別是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟,20世紀(jì)80年代中期以后,采摘機(jī)器人的研究和開(kāi)發(fā)技術(shù)得到了快速的發(fā)展。以日本為代表的西方發(fā)達(dá)國(guó)家,包括荷蘭、美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、以色列、西班牙等,在果蔬采摘機(jī)器人方面做了大量的研究開(kāi)發(fā),并且成功試驗(yàn)出了葡萄采摘機(jī)器人、柑橘收獲機(jī)器人、番茄采摘機(jī)器人、黃瓜采摘機(jī)器人、甘藍(lán)采摘機(jī)器人等[4-12]。由于技術(shù)、市場(chǎng)和價(jià)格等因素的影響,美國(guó)在自動(dòng)化收獲機(jī)器人的研究方面沒(méi)有一個(gè)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(lái)開(kāi)展了大量的收獲機(jī)器人研究項(xiàng)目,進(jìn)展很快,但收獲機(jī)器人仍未能真正實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。荷蘭收獲機(jī)器人的研究工作走在了很多國(guó)家的前面,但其涉及的果蔬種類(lèi)并不多[13]。
國(guó)內(nèi),果園采收機(jī)械化的研究與應(yīng)用相比也較晚。果園采摘機(jī)械從 20 世紀(jì) 70 年代才開(kāi)始研究,在引進(jìn)國(guó)外果園機(jī)械的同時(shí),陸續(xù)研制成功了機(jī)械振動(dòng)式山楂采果機(jī)、氣囊式采果器和手持電動(dòng)采果器等。 80 年代后,開(kāi)始研究和制造切割型采摘器,實(shí)現(xiàn)使用機(jī)械裝置進(jìn)行采摘。 接著出現(xiàn)了由微型電機(jī)作為動(dòng)力的切割式采摘器和振搖式采摘器。90 年代開(kāi)始,出現(xiàn)了很多簡(jiǎn)易采摘器。用于采摘蘋(píng)果、梨、桃等水果的便攜式水果分級(jí)采摘器的研制改變了過(guò)去勞動(dòng)強(qiáng)度大、水果損傷率高、勞動(dòng)成本高等缺點(diǎn),使果農(nóng)的采摘正確率提高、時(shí)間縮短[14-16]。隨著果園機(jī)械技術(shù)的進(jìn)一步融合,2007 年研制出了第一臺(tái)多功能果園作業(yè)機(jī)即 LG-1 型多功能果園作190業(yè)機(jī)[17]。2009 年研制出了適宜單人操作使用的枸杞采摘機(jī)[18]。 2010 年研制出了 4YS-24 型紅棗收獲機(jī)[19], 我國(guó)臺(tái)灣省為了在坡地果園上實(shí)施機(jī)械化,省工經(jīng)營(yíng),改良發(fā)展了適合坡地作業(yè)特性的農(nóng)機(jī)具,研制成功了一種自走式牽引振動(dòng)采果機(jī)。我國(guó)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(jī)械很少,基本還是靠人工采摘 ,并且在費(fèi)工以及作業(yè)危險(xiǎn)性方面的問(wèn)題比平地采摘機(jī)械更突出, 需要更多的科研院所和機(jī)構(gòu)投入精力開(kāi)展相應(yīng)地研究。
我國(guó)的水果采摘機(jī)器人的研究剛剛起步。從機(jī)械手、末端執(zhí)行器、 行走裝置等不同方面積極介入采摘機(jī)器人的研究和研制[20-25]。通過(guò)跟蹤國(guó)外先進(jìn)技術(shù),在機(jī)器人采摘領(lǐng)域內(nèi)取得了初步的成果,但是目前都處于實(shí)驗(yàn)階段,投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際仍需時(shí)日。我國(guó)的國(guó)家專(zhuān)利中有上百種的水果采摘器,包括機(jī)械式、電動(dòng)式、氣動(dòng)式的果品采摘器,其中有的實(shí)現(xiàn)單方向的水果采摘,有的可改變方向能實(shí)現(xiàn)全方位的水果采摘。不過(guò)目前市場(chǎng)上商品化的采摘器品種還比較單一,且價(jià)格昂貴操作不便。
我國(guó)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域的研究始于20世紀(jì)90年代中期,相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家起步較晚,果蔬采摘機(jī)器人的研究還處于起步階段。目前我國(guó)不少院校、研究所都在進(jìn)行采摘機(jī)器人和智能農(nóng)業(yè)機(jī)械相關(guān)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,它主要由5個(gè)自由度機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。郭峰等運(yùn)用彩色圖像處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論,開(kāi)發(fā)了草莓揀選機(jī)器人,采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器將草莓推到不同的等級(jí)方向。浙江大學(xué)的應(yīng)義斌等人完成了水果自動(dòng)分級(jí)機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)。
縱觀國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀,發(fā)現(xiàn)了主要存在的兩個(gè)問(wèn)題:
(1)雖然近些年我國(guó)采摘機(jī)械得到迅速發(fā)展,在機(jī)械產(chǎn)品方面出現(xiàn)了采摘器、動(dòng)力剪枝采摘工具、多功能果園作業(yè)機(jī)械等, 但總的來(lái)說(shuō), 國(guó)內(nèi)水果采收機(jī)械大多功能單一、效率不高,容易損壞果實(shí),產(chǎn)量損失大,容易采摘到不熟果實(shí),且成本較高,使果農(nóng)難以接受應(yīng)用。 同時(shí)再加上繁多的果實(shí)種類(lèi)之間的差異,種植區(qū)域地理?xiàng)l件的不同,變換的果實(shí)品種的生長(zhǎng)部位、成熟期等特點(diǎn)差異,都會(huì)對(duì)采收機(jī)械提出更高的要求。 因此實(shí)現(xiàn)水果采收機(jī)械化難度比較大,通用性不佳。
(2)國(guó)內(nèi)果園的分散栽培、分戶管理,農(nóng)機(jī)農(nóng)藝之間的不協(xié)調(diào),幾乎沒(méi)有真正集中成片的適合機(jī)械化作業(yè)的大型現(xiàn)代化果園,生產(chǎn)規(guī)模小,農(nóng)民素質(zhì)普遍偏低等因素, 也是影響水果采收機(jī)械化實(shí)施的主要原因。因此開(kāi)發(fā)研制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作簡(jiǎn)便、成本較低、通用性好的適合于國(guó)情的小型機(jī)械化采摘器是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。
此外,傳統(tǒng)的作業(yè)還存在以下弊端:一是采摘過(guò)程中作業(yè)者的人身安全問(wèn)題,即手工采摘時(shí)手臂易被樹(shù)枝劃傷或擦破,高處作業(yè)時(shí),還可能會(huì)摔傷。二是對(duì)果樹(shù)的損傷,即對(duì)樹(shù)的枝葉芽的破壞。三是對(duì)水果質(zhì)量的影響,單手采摘時(shí)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(nèi)外傷,影響果品的外觀,不利于保鮮儲(chǔ)藏,從而最終造成降低經(jīng)濟(jì)收入。目前,我國(guó)各地方政府為增強(qiáng)地方經(jīng)濟(jì),正相繼開(kāi)發(fā)大量的旅游投資項(xiàng)目,紛紛舉辦各種賞果采摘節(jié),如蘋(píng)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(lè)趣。如果能提供一種輕巧靈便的果實(shí)摘采器,不但能讓游客充分體驗(yàn)采摘的樂(lè)趣,而且還保障了游客的安全,保護(hù)了果農(nóng)的果樹(shù)不受損壞。另外,果農(nóng)可以少打矮壯素等農(nóng)藥,生產(chǎn)出更多的無(wú)公害果子,減少成本投入和對(duì)環(huán)境對(duì)水果的污染,游客可以品嘗到更新鮮衛(wèi)生的水果。
本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)和目標(biāo)
本課題將進(jìn)行基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘裝置的設(shè)計(jì),構(gòu)型簡(jiǎn)單,操作方便。采用伸縮式機(jī)械手臂,手臂長(zhǎng)度可調(diào),適合多種高枝水果,且便于攜帶,不使用時(shí)可縮短至最短的長(zhǎng)度放置節(jié)約空間。采摘器采用手動(dòng)帶動(dòng)夾頭的方式夾住水果,進(jìn)行拉拽水果,操作時(shí)只需輕輕地握住手柄就能調(diào)整采摘器的方向,適合各種位置的高枝水果,節(jié)省勞動(dòng)力,提高效率。采摘下的水果能順利進(jìn)入的接收裝置,再順著傳遞裝置,安全的到達(dá)地面。手持固定部分還可增加整個(gè)裝置的穩(wěn)定性,降低采摘員在長(zhǎng)時(shí)間的操作過(guò)程中手腕疲勞程度。使用基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘裝置可實(shí)現(xiàn)各種高度各種方向高枝水果的安全采摘,方便快捷,簡(jiǎn)單實(shí)用。
采用采摘器還可以方便平時(shí)蔬果,清除壞果、次果,便于果樹(shù)管理。大多數(shù)果樹(shù)開(kāi)的花都遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于最后結(jié)成的果實(shí)。在氣候適宜開(kāi)花多的年份,如果一株成年蘋(píng)果樹(shù)有5%的花、桃樹(shù)有15%~20%的花結(jié)的果實(shí)能達(dá)到成熟,就可以獲得豐收。開(kāi)花結(jié)果過(guò)多,會(huì)導(dǎo)致養(yǎng)分供不應(yīng)求,不僅影響果實(shí)的正常發(fā)育,形成許多小果、次果、還會(huì)削弱樹(shù)勢(shì),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(shù)本身的調(diào)節(jié)能力,使發(fā)育不良的花和幼果自然脫落外,還需平時(shí)人工摘除多余的花和果,才能滿足生產(chǎn)上的要求,俗話說(shuō):"看樹(shù)定產(chǎn),分枝負(fù)擔(dān),均勻留果",只有科學(xué)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(zhì)。疏除方法一般用人工,也可用適當(dāng)濃度的化學(xué)藥劑噴灑果樹(shù),采用化學(xué)疏除,采用人工疏除時(shí)利用基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘裝置能方便的進(jìn)行蔬果,在平時(shí)也能方便及時(shí)的清除果樹(shù)上任何部位的病果、次果,不會(huì)對(duì)好的臨位水果造成物理傷害,不會(huì)出現(xiàn)摘除次果時(shí)砸壞或砸掉好果的現(xiàn)象。
基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘裝置有很強(qiáng)的兼容性。它可改造成修枝剪,目前果樹(shù)的修剪必須采用專(zhuān)業(yè)工具完成,不僅使用不方便,還增加購(gòu)買(mǎi)工具的開(kāi)支。該采摘裝置只需要把夾頭換為刀片,就可以進(jìn)行果樹(shù)的修枝。采摘器裝置還可該為農(nóng)藥噴頭,噴頭可在機(jī)械手臂的控制下,實(shí)現(xiàn)方向的轉(zhuǎn)變,可全方位的對(duì)果樹(shù)噴灑農(nóng)藥。
第3章 總體設(shè)計(jì)思路
3.1 本設(shè)計(jì)的內(nèi)容和技術(shù)參數(shù)
3.1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容:
(1)伸縮式機(jī)械手臂:手臂簡(jiǎn)單自如地轉(zhuǎn)向和收縮;
(2)采摘器:實(shí)現(xiàn)各個(gè)方向水果準(zhǔn)確安全的采摘;
(3)接收裝置:實(shí)現(xiàn)解決果實(shí)從高處落下收集到指定的位置;
(4)傳送裝置:果實(shí)從高處安全順利的傳送至地面;
(5)手持固定部分:增加整個(gè)裝置的穩(wěn)定性,降低采摘員手腕疲勞程度。
3.1.2 技術(shù)參數(shù):
(1)果樹(shù)高度約3m,
(2)采摘水果是球形的,直徑是3cm≤D≤10cm。
3.1.3 果實(shí)采摘方式的選擇
經(jīng)分析要實(shí)現(xiàn)對(duì)油茶果實(shí)的采摘機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),按原理可分為抓拉式、吸附式、剪切式等類(lèi)型,其各自特點(diǎn)如下圖所示。
各類(lèi)不同工作原理的采摘機(jī)構(gòu)及特點(diǎn)
類(lèi)型
優(yōu)點(diǎn)
缺點(diǎn)
抓拉式
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、效率高
對(duì)枝條和花蕾傷害稍大
吸附式
定位要求低、動(dòng)作靈敏
需要配備真空形成裝置,笨重不方便攜帶,造價(jià)較高。
剪切式
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,對(duì)果實(shí)和枝條的傷害較小
定位要求高,效率較低,不方便收集。
通過(guò)老師的指導(dǎo)及設(shè)計(jì)要求,本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用拉抓式采摘類(lèi)型進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3.2 基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘裝置的總體設(shè)計(jì)
基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘器是一種實(shí)用新型的設(shè)計(jì),是一種解決人們采摘高處水果難而創(chuàng)新設(shè)計(jì)的工具,因其用途的特殊性,其總體設(shè)計(jì)因追尋以下兩大原則:(1)可操作性原則:果蔬采摘機(jī)器人操作者是知識(shí)水平較低的普通農(nóng)民,不是具有機(jī)電知識(shí)的專(zhuān)門(mén)的技術(shù)人員,因此要求果蔬采摘機(jī)器人操作技術(shù)不能太復(fù)雜,必須具有很高可靠性和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。(2)經(jīng)濟(jì)性原則:在可操作性原則的基礎(chǔ)上,應(yīng)最大限度的控制成本。水果的生產(chǎn)業(yè)以個(gè)體經(jīng)營(yíng)為主,考慮到經(jīng)濟(jì)效益,采摘器的價(jià)格不能太高,否則會(huì)就很難普及。
基于伸縮式機(jī)械手臂水果采摘裝置,其特征是它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)械手臂,采摘器(包括旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),采摘機(jī)構(gòu)),接收裝置,傳送裝置,手持固定部分組成。
伸縮式機(jī)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(nèi)管組成,由箍環(huán)連接,可實(shí)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(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和采摘機(jī)構(gòu)組成。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)一端由閘繩,控制手柄與伸縮手臂活動(dòng)鏈接,另一端由旋轉(zhuǎn)盤(pán)與采摘機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)固定連接,而旋轉(zhuǎn)盤(pán)的另一端由旋轉(zhuǎn)軸與采摘器頭活動(dòng)鏈接,旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理和工作原理都類(lèi)似于自行車(chē)的手閘系統(tǒng)。采摘機(jī)構(gòu)由采摘頭,仿形抓手組成。采摘頭一端與機(jī)械手臂相連,另一端與旋轉(zhuǎn)盤(pán)活動(dòng)鏈接。
接收裝置由類(lèi)似籃球籃網(wǎng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成,位于圓形鋸盤(pán)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(gè)傳送裝置管道每隔一段設(shè)有搭扣與伸縮式機(jī)械手臂連接,保證果實(shí)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(wàn)向穩(wěn)定連桿組成,小肘固定套上有繃帶和搭扣。萬(wàn)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(guò)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(guò)鉚釘或者其他的方式與萬(wàn)向穩(wěn)定連桿連接,萬(wàn)向穩(wěn)定連桿另一端通過(guò)螺絲結(jié)構(gòu)與伸縮手臂下端連接,下圖為基于伸縮式機(jī)械手臂水果采摘裝置的結(jié)構(gòu)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(dǎo)管、7-固定夾頭、8-下夾頭、9-拉繩、10-引導(dǎo)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(jī)械手臂水果采摘裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
第4章 采摘器的設(shè)計(jì)
4.1 采摘器常見(jiàn)種類(lèi)
綜合目前所有國(guó)內(nèi)的關(guān)于高枝水果的采摘器的專(zhuān)利,我國(guó)對(duì)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(shí)現(xiàn)剪切果實(shí)的功能,可以有多種功能原理實(shí)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(qū)動(dòng)力方式可將其分為機(jī)械式、電動(dòng)式、氣壓式等。
對(duì)于水果的采摘方式,多數(shù)的采摘機(jī)器人采用用刀剪斷果莖或直接用手爪擰斷果莖。采摘機(jī)器人在設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器(采摘器)之前,首先需要考慮采摘對(duì)象的生物特性、機(jī)械特性和理化特性,現(xiàn)階段的都是專(zhuān)用的采摘末端執(zhí)行器。為了避免碰傷果實(shí),大多數(shù)的采摘機(jī)器人都在接觸果實(shí)的手指內(nèi)側(cè)部位采用尼龍或橡膠材料。手指的數(shù)量和形狀的設(shè)計(jì)與所要采摘的果實(shí)有密切的關(guān)系。一般來(lái)說(shuō),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(fù)雜。所以在設(shè)計(jì)的時(shí)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(wú)手指夾持的采摘機(jī)器人。荷蘭的農(nóng)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(lái)產(chǎn)生高溫,可防止植物的感染田。日本的三重大學(xué)開(kāi)發(fā)了在采摘水果時(shí)不需要直接接觸到水果的本體,而只需要抓住果莖的軟質(zhì)水果的采摘機(jī)器人。這種機(jī)器人對(duì)于采摘果莖長(zhǎng)度較長(zhǎng)的的果實(shí)時(shí)效果是比較好。還有一種采摘機(jī)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(dǎo)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(jī)、聚焦透鏡、減速器、聯(lián)接與支承部件組成,由聚焦透鏡實(shí)現(xiàn)激光束的聚焦,通過(guò)直流伺服電機(jī)帶動(dòng)聚焦透鏡的轉(zhuǎn)動(dòng),以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(fù)雜性和對(duì)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(lèi)均有其自身的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。吸附式雖然定位要求低、動(dòng)作靈敏但是需配備真空形成裝置,且對(duì)果實(shí)及枝條的傷害較大。抓拉式的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便,但同樣對(duì)果實(shí)及枝條傷害極大。剪切式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,對(duì)果實(shí)及枝條的傷害極小,但定位要求高。由此可見(jiàn),為能順利的操作簡(jiǎn)單的采摘水果選剪切式功能原理最為合適。機(jī)械式的雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但是操作并不省力,采摘效率不高。電動(dòng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜,氣壓技術(shù)復(fù)雜。由此可見(jiàn),為能簡(jiǎn)單操作方便快捷的采摘水果選電動(dòng)式最為合適。
綜合以上所述,采摘器選用電動(dòng)的剪切式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,操作方便,對(duì)果實(shí)及枝條的傷害極小,且能減輕力氣,可調(diào)節(jié)方向的設(shè)計(jì)可以很好的滿足定位要求,對(duì)于各個(gè)方向的水果都能實(shí)現(xiàn)可靠安全的采摘。
4.3 采摘器的設(shè)計(jì)
采摘器包括旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和采摘機(jī)構(gòu)組成。采摘機(jī)構(gòu)由采摘頭,電動(dòng)機(jī),圓形鋸盤(pán)組成。采摘頭一端與機(jī)械手臂相連,另一端與旋轉(zhuǎn)盤(pán)活動(dòng)鏈接,電動(dòng)機(jī)與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)盤(pán)固定連接,圓形鋸盤(pán)固定連接在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上。
旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)一端由閘繩,控制手柄與伸縮手臂活動(dòng)鏈接,另一端由旋轉(zhuǎn)盤(pán)與采摘機(jī)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)固定連接,而旋轉(zhuǎn)盤(pán)的另一端由旋轉(zhuǎn)軸與采摘器頭活動(dòng)鏈接。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及工作原理類(lèi)似于自行車(chē)的手閘系統(tǒng)。拉索可用自行車(chē)剎車(chē)鋼絲繩做成。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可調(diào)節(jié)圓形鋸盤(pán)的方向,可采摘不同方向的水果,采摘準(zhǔn)確方便。
4.3.1 尺寸計(jì)算
一、采摘器的選用
夾頭用來(lái)夾取水果,果梗不算太硬,要求的力度不是很大,但當(dāng)機(jī)械手抓住水果的輪廓后,水果會(huì)有遠(yuǎn)離刀片方向的運(yùn)動(dòng),為了順利抓取水果就需要夾取力很大。
4.3.2 采摘器的強(qiáng)度校核計(jì)算
3.6夾頭的設(shè)計(jì)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(diǎn)假設(shè):
(l)采摘頭簡(jiǎn)化為圓柱形懸臂梁;
(2)整個(gè)采摘頭的受力集中在采摘頭的右端;
(3)采摘水果時(shí)的扭矩太小忽略不計(jì)(電動(dòng)機(jī)的扭矩為13.0mN.m);
(4)所有內(nèi)外載荷均通過(guò)截面的形心(忽略局部扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響)。
因此采摘頭的受力可以簡(jiǎn)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(zhuǎn)矩不大,計(jì)算時(shí)可忽略。根據(jù)采摘器的結(jié)構(gòu)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(shí)際過(guò)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(dòng)載系數(shù)k,由于采摘器采摘時(shí)的工作環(huán)境狀況較好,取k=2~3,此動(dòng)載系數(shù)考慮了實(shí)際操作中遇到的最大障礙時(shí)的載荷增值。如果再考慮采摘頭在動(dòng)載作用下將產(chǎn)生疲勞,對(duì)疲勞的影響可用疲勞系數(shù)來(lái)表示,此值取1.4,故動(dòng)載下的最大彎矩為100Mpa,此處材料為工程塑料抗彎強(qiáng)度強(qiáng)度為200Mpa。結(jié)論:采摘頭材料及尺寸結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)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(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和采摘機(jī)構(gòu)的構(gòu)造,需要繪制出采摘器的實(shí)體模型圖。這里采用了比較流行的 Solidworks軟件。Solidworks是美國(guó)PTC公司研制的一套由設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化軟件,是新一代產(chǎn)品造型系統(tǒng),是一個(gè)參數(shù)化、基于特征的實(shí)體造型系統(tǒng),并且具有單一數(shù)據(jù)庫(kù)功能。Solidworks是一種采用參數(shù)化設(shè)計(jì)的、基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng),工程設(shè)計(jì)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(huà)草圖,輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計(jì)者提供了在設(shè)計(jì)上從未有過(guò)的簡(jiǎn)易和靈活。solidworks是目前計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中最為專(zhuān)業(yè)的軟件之一。
4.4.2 繪圖方法
該采摘器的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,solidworks繪制實(shí)體模型圖時(shí),選擇好基準(zhǔn),合理控制尺寸,采用旋轉(zhuǎn)、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(jī)械的采摘機(jī)械手是整個(gè)機(jī)械部分的核心,難點(diǎn)在于機(jī)械手造型的設(shè)計(jì)以及機(jī)械手抓取的方式、移動(dòng)方式的設(shè)計(jì)
機(jī)械手的三維示意圖
此處的機(jī)械手的模型采用仿生學(xué)的原理,用彈簧的舒張和收縮完成果實(shí)的抓取和釋放。
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)我們知道蘋(píng)果的直徑為50~80之間所以我們?cè)O(shè)計(jì)的機(jī)械手的圓弧直徑為120mm這樣更有利于大多數(shù)果實(shí)的抓取。
第5章 關(guān)鍵部位的設(shè)計(jì)與分析
5.1 機(jī)械手臂的種類(lèi)
機(jī)械手臂雖然有很各種各樣的結(jié)構(gòu)形態(tài),但是它們有一個(gè)共同的特點(diǎn),就是能夠在接受到指令時(shí),精確地定位到三維空間或者二維空間上的某一點(diǎn)來(lái)進(jìn)行作業(yè),完成指定動(dòng)作。目前在工業(yè)制造、醫(yī)學(xué)治療、娛樂(lè)服務(wù)、軍事以及太空探索等領(lǐng)域都能見(jiàn)到機(jī)械手臂的身影。
圖4.1機(jī)械手臂
機(jī)械手臂根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同分為多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂,直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂,球坐標(biāo)系機(jī)械手臂,極坐標(biāo)機(jī)械手臂,柱坐標(biāo)機(jī)械手臂等。水平多關(guān)節(jié)機(jī)械手臂一般有三個(gè)主自由度,Z1轉(zhuǎn)動(dòng),Z2轉(zhuǎn)動(dòng),Z移動(dòng)。通過(guò)在執(zhí)行終端加裝X轉(zhuǎn)動(dòng),Y轉(zhuǎn)動(dòng)可以到達(dá)空間內(nèi)的任何坐標(biāo)點(diǎn)。直角坐標(biāo)系的機(jī)械手臂有三個(gè)主自由度,X移動(dòng),Y移動(dòng),Z移動(dòng)組成,通過(guò)在執(zhí)行終端加裝X轉(zhuǎn)動(dòng),Y轉(zhuǎn)動(dòng),Z轉(zhuǎn)動(dòng)可以到達(dá)空間內(nèi)的任何坐標(biāo)點(diǎn)。下圖為常見(jiàn)的六自由度機(jī)械手臂,它有X移動(dòng),Y移動(dòng),Z移動(dòng),X轉(zhuǎn)動(dòng),Y轉(zhuǎn)動(dòng),Z轉(zhuǎn)動(dòng)六個(gè)自由度組成。
圖4.2機(jī)械手臂
對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來(lái)說(shuō),有時(shí)并不需要機(jī)械手臂具有完整的六個(gè)自由度,而只需其中的一個(gè)或幾個(gè)自由度。直角坐標(biāo)系機(jī)械手臂可以由單軸機(jī)械手臂組合而成。在產(chǎn)業(yè)機(jī)器人中,單軸機(jī)械手臂作為一個(gè)組件在工業(yè)中應(yīng)用廣泛。單軸機(jī)械手臂看似簡(jiǎn)單,只在單一方向往復(fù)運(yùn)動(dòng),但在實(shí)際應(yīng)用上功能各異,種類(lèi)繁多。單軸機(jī)械手臂的驅(qū)動(dòng)方式有:滾珠螺桿、時(shí)規(guī)皮帶、齒輪齒條、液壓缸、氣缸等。
下圖為銀光機(jī)械(VinkoMachine)生產(chǎn)的單軸機(jī)械手臂。單軸機(jī)械手臂的組件化大大降低了工業(yè)設(shè)計(jì)的成本,因?qū)I(yè)制造商擁有良好的質(zhì)量保證和批量生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì),使用組件比自行設(shè)計(jì)機(jī)械手臂更具優(yōu)勢(shì)。常見(jiàn)的直交機(jī)械手組合有懸臂式,龍門(mén)式,直立式,橫立式等樣式。
圖4.3VNKOBS-75單軸機(jī)械手
圖4.4VNKO多軸組合機(jī)械手
韓國(guó)開(kāi)發(fā)的蘋(píng)果采摘機(jī)器人使用極坐標(biāo)機(jī)械手,絲杠關(guān)節(jié)可以上下移動(dòng),旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可以左右移動(dòng),從而使作業(yè)空間范圍達(dá)到3mt。20世紀(jì)80年代中期日本京都大學(xué)NoboruKawamura等人研制出5自由度關(guān)節(jié)型的機(jī)械尹I珥。但是試驗(yàn)表明,這種機(jī)械手的工作空間并沒(méi)有包括所有果實(shí)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(jì)90年代,日本崗山大學(xué)的NaoshiKondo等人通過(guò)深入研究番茄的生理、物理特性,分析機(jī)械手的工作性能,在NoboruKawamura等人基礎(chǔ)上,研制出了7個(gè)自由度的機(jī)械手臂。機(jī)械手的自由度數(shù)是衡量機(jī)器人性能的重要指標(biāo)之一。它直接決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性和控制的復(fù)雜性。荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所采用機(jī)械手的三維CAD模型很好的解決了機(jī)械手與莖桿的碰撞問(wèn)題。美國(guó)佛羅里達(dá)大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種由兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副和一個(gè)滑動(dòng)副構(gòu)成的球形坐標(biāo)機(jī)器人,這種機(jī)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(dòng)軸的中心,從而只要滑動(dòng)軸稍微張開(kāi)一定的角度就可以很輕易的采摘到水果。
5.2 機(jī)械手臂的選擇
本文設(shè)計(jì)的機(jī)械手臂是用于水果的采摘,考慮到生產(chǎn)實(shí)際的需要,為了便于其在果樹(shù)間的運(yùn)動(dòng),采用最簡(jiǎn)單的單軸伸縮式機(jī)械手臂,即為兩根套在一起的同心不銹鋼外管和內(nèi)管,兩根管由箍環(huán)連接。工作時(shí)可根據(jù)水果的不同高度任意調(diào)節(jié),增強(qiáng)實(shí)用性。平時(shí)不用時(shí)可伸縮至最短的長(zhǎng)度放置,節(jié)約空間。
5.3 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)
伸縮式機(jī)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(nèi)管組成,其中外管的內(nèi)徑等于或略小于內(nèi)管外徑。箍環(huán)安裝在外管的前端口上,其能夠?qū)⑼夤芎蛢?nèi)管相互固定在一起,可實(shí)現(xiàn)手臂自由的伸縮和緊固。伸縮式機(jī)械手臂的整個(gè)結(jié)構(gòu)就同市面上銷(xiāo)售的伸縮式拖把桿或掛衣桿結(jié)構(gòu)。
采摘水果前,操作人員可以先按需要將箍環(huán)打開(kāi),并握住內(nèi)管的前端將其從外管中抽出,等到伸縮式機(jī)械手臂的總長(zhǎng)度,加上采摘人員的身高接近需要采摘的水果的高度時(shí)再擰緊箍環(huán)。
5.3.1 尺寸計(jì)算
采摘水果的果樹(shù)的高約為三米,內(nèi)外管長(zhǎng)度為內(nèi)管為一米,外管為一米五,加上采摘人員的身高(保守估計(jì)一米,高度不夠時(shí)還可伸長(zhǎng)手臂),最長(zhǎng)的總長(zhǎng)度至少可到三米五。
外管的外徑選用為25mm,厚度為1mm,內(nèi)管能滿足套住外管,外管的內(nèi)徑等于或略小于內(nèi)管外徑。內(nèi)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(jī)械手臂在工作過(guò)程中,主要為手持控制,所以它的設(shè)計(jì)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(nèi)外管的材料為304不銹鋼,表面處理為不銹鋼拉絲色。
內(nèi)外管的實(shí)物圖如下:
圖4.5內(nèi)外管實(shí)物圖
5.3.3 強(qiáng)度校核
伸縮式機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)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(jìn)一步確定伸縮式機(jī)械手臂的選用是否符合實(shí)際操作,須作以下幾點(diǎn)假設(shè):
(l)機(jī)械手臂為細(xì)長(zhǎng)桿件,校核其穩(wěn)定性,因?yàn)榧?xì)長(zhǎng)桿件常出現(xiàn)形式失效,并非強(qiáng)度不夠,而是穩(wěn)定性不夠;
(2)機(jī)械手臂的受力集中在細(xì)管的正上方,整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為一端固定一端自由的細(xì)長(zhǎng)桿,以內(nèi)管尺寸計(jì)算;
(3)采摘水果時(shí)的扭矩彎矩太小均忽略不計(jì);
(4)所有內(nèi)外載荷均通過(guò)截面的形心(忽略局部扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的影響)。
因此機(jī)械手臂的受力可以簡(jiǎn)化為圖4.7的細(xì)長(zhǎng)壓桿模型。
圖4.7壓桿模型
圖中F為伸縮式機(jī)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(zhuǎn)矩、扭矩、外力計(jì)算時(shí)均忽略不計(jì)。根據(jù)采摘裝置在采摘水果的實(shí)際過(guò)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(shí)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(zhǎng)是穩(wěn)定性最差,計(jì)算時(shí)取伸縮臂最長(zhǎng)時(shí)的長(zhǎng)度L=2.5m。
伸縮式機(jī)械手臂的材料為304不銹鋼(0Cr18Ni9不銹鋼),304不銹鋼的抗拉強(qiáng)度≥520MPa,,條件屈服強(qiáng)度≥205MPa,伸長(zhǎng)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(dāng)壓桿的柔度大于或等于極限值時(shí),歐拉公式校核壓桿穩(wěn)定性才滿足使用條件
伸縮式機(jī)械手臂簡(jiǎn)化為一端固定一端自由的壓桿則,截面為圓環(huán)形(取內(nèi)管的值)則截面的慣性半徑100
柔度為150
因?yàn)椋詺W拉公式適用于校核伸縮式機(jī)械手臂的穩(wěn)定性。
計(jì)算出伸縮式機(jī)械手臂的臨界壓力為:10N
伸縮式機(jī)械手臂的工作安全因數(shù)為50
所以滿足穩(wěn)定要求。
結(jié)論:伸縮式機(jī)械手臂材料及尺寸結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)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(jī)械手臂結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,solidworks繪制實(shí)體模型圖時(shí),選擇好基準(zhǔn),合理控制尺寸,采用旋轉(zhuǎn)、拉伸、掃描等常規(guī)方法,即可完成。
5.4.2 機(jī)械手臂效果圖展示
圖4.8機(jī)械手臂效果圖
5.5 接收傳送裝置的設(shè)計(jì)
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(wú)傷害的的到達(dá)地面,必須設(shè)計(jì)接受傳送裝置。
5.5.1 接收裝置設(shè)計(jì)原則
接收裝置由類(lèi)似籃球籃網(wǎng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)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(nèi)下落時(shí)有明顯的緩沖力作用,可保證果品的無(wú)傷害輸送。整個(gè)蔬果管道每隔一段可設(shè)有搭扣與伸縮式機(jī)械手臂連接,不但可防止被樹(shù)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(duì)視覺(jué)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(zhì)布料制成,類(lèi)似于高樓救生員救生時(shí)使用的柔性滑道。
5.5.3 尺寸設(shè)計(jì)
因?yàn)樗烧乃麨椴芍睆绞?cm≤D≤10cm的球形水果,水果被采摘時(shí)有一定的慣性力使得水果會(huì)有水平方向的的運(yùn)動(dòng),則接收裝置的直徑要選用的大一點(diǎn)直徑設(shè)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(jī)械手臂是用于手持,伸縮式機(jī)械手臂的長(zhǎng)度較長(zhǎng)為了增加整個(gè)裝置的穩(wěn)定性,減少采摘員在長(zhǎng)時(shí)間的操作過(guò)程中手腕疲勞的作用,所以特別設(shè)計(jì)手持固定部分。當(dāng)此采摘器安裝在別的地方時(shí)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(wàn)向穩(wěn)定連桿。小肘固定套的材料采用足球護(hù)膝的材料,其上有繃帶和搭扣。萬(wàn)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(guò)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(guò)鉚釘或者其他的方式與萬(wàn)向穩(wěn)定連桿連接,萬(wàn)向穩(wěn)定連桿另一端通過(guò)螺絲結(jié)構(gòu)與伸縮手臂下端連接。通過(guò)小肘固定套可以達(dá)到在長(zhǎng)時(shí)間的操作過(guò)程中以減少手腕疲勞的作用,萬(wàn)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(shí)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(jié)與展望
基于伸縮式機(jī)械手臂的水果采摘裝置,是介于含有自主行動(dòng)功能的技術(shù)含量極高且價(jià)格昂貴的機(jī)器人類(lèi)型和基本屬于純機(jī)械式的過(guò)于簡(jiǎn)單的采摘器兩者之間的一種采摘裝置。它構(gòu)型簡(jiǎn)單,操作方便,價(jià)格低廉,效率較高。采用伸縮式機(jī)械手臂,手臂長(zhǎng)度可調(diào),適合多種高枝水果,且便于攜帶,采摘器采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)到刀片轉(zhuǎn)動(dòng)的方式切割果梗,采摘水果速度快,節(jié)省勞動(dòng)力,且采摘器的方向可調(diào)節(jié),適合各種位置的高枝水果,采摘水果完好,保質(zhì)保量,是一種值得推廣的實(shí)用新型的設(shè)計(jì)。
致謝
通過(guò)這段時(shí)間的設(shè)計(jì),我的感受很深。尤其是在最初的設(shè)計(jì)階段,由于自己理論知識(shí)不夠系統(tǒng)和豐富,加之缺乏設(shè)計(jì)思路,使得進(jìn)展比較緩慢。幸運(yùn)的是之后,在老師的悉心指導(dǎo)下,我逐漸的學(xué)會(huì)了獨(dú)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(guò)程中得到的鍛煉是自己在本次設(shè)計(jì)中得到的最大收獲之一。并且在這一過(guò)程中,我發(fā)現(xiàn)了許多以前沒(méi)有注意的問(wèn)題,有些想法,方法最初看起來(lái)是可行的,但認(rèn)真思考后就會(huì)發(fā)現(xiàn)存在很多不足之處。如此反復(fù)思考,校對(duì)才完成了本次設(shè)計(jì)任務(wù)。
本設(shè)計(jì)中有些結(jié)論的得出,本應(yīng)該進(jìn)行細(xì)致的計(jì)算和分析,但限于篇幅和時(shí)間,不能一一詳盡。由于自己現(xiàn)有的能力水平有限,設(shè)計(jì)中難免有疏忽與錯(cuò)誤等不足之處,望廣大老師同學(xué)給予批評(píng)指正。
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