毕业设计说明书垄栽草莓智能采摘设备采摘模块设计.docx

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1、情州nJZ大学1ANZHOUuniversityoftechno1ogy本科毕业设计（论文）说明书题目：垄栽草莓智能采摘i殳备采摘模块设计学生姓名学号专业班级18级机械设计制造及其自动化二班指导教师学院机电工程学院答辩日期摘要草莓作为最受欢迎的水果之一，每年收获量超过900万吨，这个数字还在不断的上升。然而草莓采摘是一项体力劳动和劳动密集型的工作，并且随着劳动力短缺和人工成本的因素，市场对于草莓采摘机器人的需求尤为强烈。尽管多次尝试开发用于收获草莓和许多其他作物的机器人解决方案，但完全可行的商业系统尚未建立。其中一个主要挑战是，机器人需要能够在各种各样、不受限制的环境和具有各种功能的作物变化中

2、同样有效地操作，目前已经开发了几种草莓采摘机器人。果实采摘机械手目前在农业领域中占据着重要的位置，该不但可以反映企业甚至国家的农业发展程度，还可以促进生产力的提高，为人类创造更多的经济利益。本设计对现阶段的中国草莓栽培环境做出了一些认识，再结合采摘情况，并针对中国草莓采摘过程必须关注的几个细节加以分析，从而设计出最适宜的采摘方式，完成了对草莓的成功采摘。关键词：草莓采摘；草莓采摘机器人；机械手爪AbstractStrawberry,asoneofthemostpopu1arfruits,hasanannua1harvestofover9mi11iontons,andthisnumberisst

3、i11rising.However,strawberrypickingisamanua11aborand1abor-intensivework,andwiththeshortageof1aborand1aborcosts,themarketdemandforstrawberrypickingrobotsisparticu1ar1ystrong.Despitemanyattemptstodeve1oprobotso1utionsforharvestingstrawberriesandmanyothercrops,acomp1ete1yfeasib1ecommercia1systemhasnoty

4、etbeenestab1ished.Oneofthemaincha11engesisthatrobotsneedtobeab1etooperateequa11yeffective1yinvariousunrestrictedenvironmentsandcropchangeswithvariousfunctions.Atpresent,severa1strawberrypickingrobotshavebeendeve1oped.Atpresent,thefruitpickingmanipu1atoroccupiesanimportantpositionintheagricu1tura1fie

5、1d.Itisnoton1yoneoftheimportantstandardstomeasuretheadvanced1eve1ofanenterpriseorevenacountrysagricu1tura1deve1opment,buta1socanimprovetheworkefficiency,thusbringinghigheconomicbenefitstomankind.Thisdesignmadesomeunderstandingofthecurrentstrawberryp1antingenvironmentinChina,andcombinedwiththepicking

6、situation,ana1yzedsomedetai1sthatmustbepaidattentiontointheprocessofpickingstrawberriesinChina,soastodesignthemostsuitab1epickingmethodandcomp1etethesuccessfu1pickingofstrawberries.KeyWords:Pickingstrawberries;Strawberrypickingrobot;Mechanica1c1aw目录摘要IAbstractII第1章绪论11.1 课题的研究意义11.2 采摘机器人国内外研究现状21.2

7、. 1国外研究现状21.2.2国内研究现状31.3 采摘机机器人的发展趋势41.4 研究目标和内容61.4. 1研究目标613.2研究内容6第2章草莓采摘机器人机械臂总体设计71.1 1对草莓的认识71.1.1 草莓的栽培方式71.1.2 草莓的外观形状特征71.1.3 草莓的生长周期81.2 工业机械手选择准则81.3 机械手臂的设计101.3.1 机械手臂的设计要求101.1.1 3.2机械手臂驱动方案设计102.3.3 机械手臂的选择132.3.4 机械手手腕的设计132.3.5 3.5手腕设计的基本要求142.3.6 机械手的行程分析142.3.7 机械手的工作空间分析142.4机械臂

8、的三维模型15第三章草莓采摘机器人末端执行器设计173. 1末端执行器的介绍173.1.1 末端执行器的分类173.1.2 两个爪子的末端执行器183.1.3 两个以上爪子的末端执行器193.2夹持式末端执行器的选择193.2.1选择夹持式末端执行器的基本要求193.3末端执行器的三维模型20参考文献21致谢22第1章绪论1.1 课题的研究意义在电脑和电子控制技术飞速发展的今天，人们生活中的一切都离不开他们，他们和他们的生活息息相关。机器人的应用越来越广泛，可以说，机器人已经被广泛的应用到了各行各业，这是因为机器人的智能化和自动化，它可以把人们在日常生活中所遇到的难题解决了，并且在人类无法生存

9、的条件下，做到精确而有效的工作1。可以说，在许多工业领域，如制造领域，机器人都是“万金油”和“万能钥匙但是，由于在农业生产中的应用，相对于工业而言，机器人的应用并不如工业中那么广泛、广泛，原因很简单，首先，农业的经济效益不如工业，而且由于机器人的购置、维护、维护等成本高昂，对于农民而言，这是一项庞大的投入；其次，农业工人的综合素质不如工业工人，这里的质量不是道德问题，而是受过的教育水平。在我们国家，农民可能一辈子都在自己的土地上劳作，但书籍对于他们而言，实在是太遥远了，就算接触到了，也没有太多的时间去学习，而工人们就不一样了，让一个农民来操作这些高科技产品，显然是不太可能的。要培养这些农民，需

10、要投入大量的人力和财力。所以，很容易就能发现，在农业领域，机器人很难推广开来。所以，就有一些人，为了解决这个问题，开发出了更多更容易被人们所接受和利用的机器人。本论文以操作臂的结构为研究对象，着重于草莓的摘除。因为草莓是一种很有营养的水果，所以在超市里看到的草莓，都会让人流口水。而草莓是一种绿色的食物，对于草莓的生产来说，更是重中之重。因为草莓的生长是有规律的，一般都是种植在架子上，或者是露天的架子上，机械臂的移动也是有规律的。其次，在查阅相关文献的基础上，制定合理的生产方案，使产品的内部结构更加合理。首先，从实际操作中可以看出，草莓的采摘是草莓生产的重要环节之一。可是，这种红色的小果子，却要

11、不断地在种植园中来回走动，不但费时费力，效率也低。同时，在采收过程中，由于用力和姿态的不当，很可能会损伤到果实的叶片，进而影响到草莓的二次生长。所以，在草莓采收时，人们最关心的就是如何避免叶片、叶片、甚至是果实的损伤。更重要的是，草莓的汁液会粘在人的衣服上，而且很难清洗。所以，机器人就能轻松地解决这个问题，只要给机器人下达了指令，那么就可以不费吹灰之力地采摘草莓了。这对于广大的农场主来说是个好消息，特别是那些大规模的草莓种植户。1.2 采摘机器人国内外研究现状中国六十年代（一九六八年）的农村就已经出现收获作业的自动化与农业机器人技术的发展，主要的采收方法有机械式振荡和空气式振荡两种，但其弊端是

12、易造成果实损伤，作业效率低下，尤其是不能进行选择性收割。80年代中期以后，随着工业技术迅速发展，尤其是工业机器人的迅速发展，计算机图像和人工智能技术的发展，日本尤为突出，还有美国，德国，葡萄牙，荷兰等发达国家，都对收获收集机器人进行了大量的研究，并成功地研制出了很大采摘机器人，包括黄瓜收获机器人、苹果收获机器人、荔枝收获机器人、哈密瓜采收机器人、橘子收获机器人、樱桃收获机器人等等。1.2.1 国外研究现状在智能草莓采摘机中，要想精确地采集到草莓的三维空间坐标，必须要借助机器人技术的机器视觉。在机器人的发展历程中，机器视觉的发展也有相当长的一段时期，各国都有相应的技术，因此他们将其应用于农业采集

13、机器人，通过精准的立体定位，准确的采集水果，这是发达国家目前发展最快的。然而，草莓采集机器人的研究还处在起步阶段。许多国家都有专门的采收机器人，专门为不同的栽培方式开发，而田垄式采收机器人的研发还只是初级阶段，目前比较适合于机器人操作的高架栽培方式，现在已经被广泛应用，在高架种植模式下，果树的生长密度得到了极大的提升，而机器人的操作臂也不需要为地面采集，只需要对着地面采集就可以了，而采集的时候，则需要用到末端执行机构和机械手臂，将草莓的位置固定下来，当机械臂移动到合适的位置后，用末端执行器将果实切割下来。日本宫崎大学研制的四自由度切割草莓自动采集系统，利用CCD摄像机对草莓进行采集。在此基础上

14、，利用激光传感器的测距函数，计算出草莓果实与果实的间距，再由机器人的机械臂将末端执行器推至草莓的根部，再用剪刀将草莓的茎干切开，从而避免对草莓果实造成损伤。日本冈山大学研制了一种葡萄采收机器人，适用于果树棚架种植。机械部件为具有四个转动关节（包括两个腕关节、一个腰关节和一个肩关节）和一根棱柱型直线运动关节的五个自由度极坐标机器人。这种结构可以让机器人在葡萄架下工作，并能实现多种转速的转动，并通过简单的控制方式实现直线运动。手腕上的2个转动关节很有效，确保了末端执行器水平和垂直靠近葡萄，甚至在葡萄干倾斜时也能起到作用。另外，为增加使用效率和实施多种操作，可以通过替换各种末端执行器来完成喷雾、套袋

15、和修剪等工作。荷兰农业与环境工程学研究所于1996年研制出一种多用途的黄瓜收割机械。该研究在荷兰的一个温室里进行。采用标准的温室大棚栽培技术，采用高压缠绕法进行悬挂式栽培。该机器人通过近红外线视觉系统对黄瓜的果肉进行识别，并对其进行定位。机器只能收割成熟的黄瓜，不会对其它不熟的小黄瓜造成损伤。采集采用末端执行机构，末端执行机构包括一个把手和一个工具。所述机器人臂被安装在所述移动车辆中，所述移动车辆用于所述机器人的操作及所述采集系统的初始位置。该机器人具有7个自由度，使用三菱RV-E26自由度机器人，并在基础上加入直线滑行的自由度。在收割后，用一辆装有可卸载容器的自动运输机来运送黄瓜。整个系统可

16、以在没有人为干扰的情况下正常工作。英国S1SOe研究院研制出一种能自动测量菌株位置、尺寸、有选择地进行菌类采收的机器人。它的机械臂由两个可动的气动关节和一个转动的步进马达组成。终端执行机构为吸气装置，其上装有软垫；该系统的视觉感应器是一个电视摄像机，它被装在顶端，用于判断蘑菇的位置和尺寸。通过许多次试验后，了解到采收率大概为75%,采收速率大概为6.7s,是导致采收失败的重要因素。如何依据影像资料，对机械手的姿态进行适当的调节，以提高其准确性，是目前急需解决的问题。1.2.2 国内研究现状国内草莓采摘机器人的研发起步较晚，但在借鉴国外技术基础上，结合国内科研工作者的自主创新，已在草莓采集机器人上有所突破。国内科研工作