毕业设计（论文）-水果采摘机器人的设计-履带式.docx

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1、水果采摘机器人的结构设计摘要本文首先根据收集的文献资料，简要阐述了水果采摘机器人的特点和国内外的研究进展，结合当前在此领域的一些研究实例进行比较分析；并在此基础上重点分析了果蔬采摘机器人研究中存在的问题，设计出水果采摘机器人的机械本体，包括行走机构、伸缩机械臂、采摘机械手和剪切机械手具体结构的设计，伸缩臂采用电机驱动钢丝绳拉伸的运动方式，该机器人两只精密的机械手采用了叠加的方式，节省了使用空间，以切断果柄为目标，保证采摘质量。除此之外，还在UG中构建了采摘机器人的三维模型，生成重要部件的工程图。最后，对水果采摘机器人在农业上的发展前景进行了展望。关键词： 水果采摘；机器人；结构设计；发展前景A

2、bstractFirstly, according to the collected literature, this paper briefly describes the characteristicsof fruit picking robot and the research progress at home and abroad. Based on the analyses theproblems existing in the research of harvesting robot, design the fruit picking robotmanipulator, inclu

3、ding walking mechanism, telescopic arm, picking manipulator and shearingmanipulator design of concrete structure, telescopic arm driven by motor wire rope tensilemovement way, the two precision of robot manipulator with the method of the superposition,saved the space use, to cut off the fruit stalk

4、as the goal, ensure the quality of picking. Inaddition, a 3d model of the picking robot is built in UG to generate engineering drawings ofimportant parts.Finally, the development prospect of fruit picking robot in agriculture isprospected.Key words: Fruit picking； Robot； Structural design； Prospects

5、 fordevelopment目录第1章绪论1.1研究的目的及意义11.2机器人简介11.3国内外采摘机器人的研究进展21. 4本课题研究的主要内容3第2章总体方案设计51.1 原始设计参数52. 2水果采摘机器人整体方案的设计52. 3整体模型的建立7第3章行走机构的设计82.1 电机的计算和选型93. 2传动系统的设计和选型103.2. 1驱动轮的结构选取103.2.2 驱动轮的齿数选取113.2.3 驱动轮的参数计算113.2.4 驱动轮的强度计算12第4章伸缩机械臂的设计134.1伸缩机械臂的设计方案134 2 .幺乙杠螺母彳.副的if 算和选134.2.2确定当量转速与当量载荷144

6、. 2, 3 预期额定动载荷144.2.4确定允许的最小螺纹底径154.2.5确定滚珠丝杠副的规格代号154.2.1电机功率计算164.2.2电机力矩计算164.2. 3型号选择164. 2. 4联轴器选择16第5章机械手的设计195.1回转电机的计算和选型20结语1附录1参考文献1致谢错误!未定义书签。水果采摘机器人的结构设计4第1章绪论1.1研究的目的及意义在果蔬生产作业中，采摘收获环节约占整个作业量的40%,传统的人工采摘方式基本上属于劳动密集型作业，劳动强度大，受天气影响和日照时间限制，不仅劳动效率低下，劳作质量无法保证，而且采摘过程中的安全隐患也不容忽视。这些问题伴随着人口老龄化进程

7、的加深正不断加剧。果蔬采摘机器人的研究与开发可视为科学家和技术工作者为了解决这些问题而作的勇敢探索。水果采摘机器人的出现解决目前水果采摘面临的困境，实现了农田收获自动化，能够适应环境的变化，保证工作的效率，符合水果产业发展的需求。采摘机器人在水果产业中的应用可以保证水果适时采摘、提高水果采摘质量，并且随着农业向产业化发展的进程中，具有广阔的市场前景。1. 2机器人简介1.1.1 机器人的定义众所周知，机器人是自动执行工作的机器装，它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动，可代替或协助人类完成各种枯燥的、危险的、有毒的、有害的重复性的工作。1.1

8、.2 机器人的分类机器人按照用途主要可以分为：工业机器人、农业机器人、家用机器人、医用机器人、服务型机器人、空间机器人、水下机器人、军用机器人、排险救灾机器人、教育教学机器人、娱乐机器人等1.1.3 机器人的应用随着科学技术的发展，机器人在应用领域的研究正不断被关注，机器人技术的应用范围在逐渐扩大。作为机器人技术应用的一个重要方面，各种农业机器人正不断被开发出来川，在农业日益走向工业化的今天，他们被期望能替代人类完成繁重的农业劳作，提高农业劳作的科学性，可控性，节省人力和物力，增强劳作效能，而采摘机器人是农业机器人研究的一个重要分支，近年来一直备受关注。1. 3国内外采摘机器人的研究进展1.3

9、.1 国外采摘机器人研究进展采摘作业的自动化和机器人研究始于20世纪60年代的美国，从20世纪80年代中期开始，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，以日本为代表，荷兰、美国、法国、英国、以色列、西班牙等发达国家，在采摘机器人的研究上作了很多尝试，各种果树采摘机器人陆续被开发出来，如番茄采摘机器人、苹果采摘机器人、黄瓜收获机器人、西瓜收获机器人、和蘑菇采摘机器人等。日本冈山大学的Kondo N等人1991年研究了一种番茄采摘机器人，机器人利用机器视觉对果实进行判别，采用五自由度垂直多关节机械臂和能够上下、前后移动的二自由度直动关节，以

10、避让茎叶接近目标果实，吸盘吸住果实后退回，将目标果实和其他果实分离，末端执行器以和吸盘相同的速度前进，使机械手抓住果实，最后通过机器臂的腕关节旋转，将果实摘下。1990年美国的佛罗里达大学开发了柑橘采摘机器人，这款机器人拥有可实现左右上下和直线运动的三自由度极坐标型液压驱动以及七自由度的机械臂。当末端执行器内置的光源、彩色摄像机检出果实之后，末端执行器就移向果实，末端执行器内置的超声波传感器检测出距离，半圆形环切刀便旋转切断果梗收获橙子。1989年，日本冈山大学研发了葡萄采摘机器人，该机器人的末端执行器主要由机械手指、切刀以及可前后方向滑动的推拉部组成，从水平方向接近果穗并采收，使其剪断穗轴时

11、尽量不触碰到果穗，以免果实被触碰而造成商品价值降低”叫目前西方发达国家的果蔬采摘机器人的研究与开发在广度和深度两个方面仍在不断探索中，距离大面积应用还有一定的距离。1.3.2 国内采摘机器人研究进展我国对果蔬采摘机器人的研究起步较晚，与西方发达国家相比较，在技术水平上和开发范围上还存在一定的差距，但也取得了一定的成绩。中国农业大学的张铁中等人对草莓收获机器人进行了实验性的研究，东北林业大学的陆怀民等人开发出了林木球果实采摘机器人，上海交通大学正在进行黄瓜采摘机器人的研究也引起了广泛关注。2006年中国农业大学和潍坊学院联合研制了茄子采摘机器人，该机器人由四自由度关节式机械手、DMC运动控制器、

12、数字摄像头以及PC机组成。关节式机械手的4个关节均为旋转关节，分别与人的腰部、肩部、肘部和腕部相对应。对目标果实则采用基于直方图的固定双阈值法对G-B灰度图像进行分割曲，通过对图像分割得到果实目标的二值图像，并进行边缘提取、轮廓跟踪和轮廓标记。性能测试结果表明该机器人抓取成功率为89%,平均耗时为37.4 s14150 2007年中国农业大学的汤修映、张铁中研制了六自由度圆柱型黄瓜采摘机器人，该机器人拥有六自由度机械臂，各关节均采用步进电机驱动；视觉系统采用基于RGB模型G分量的图像分割算法，分割成功率为7096左右；末端执行器由一个活动刃口和固定刃口组成。经实验表明，该机器人运动定位精度为2

13、.5 mm,末端执行器的采摘成功率达到93. 3%皿。综上所述，国内外对果蔬采摘机器人的研究仍然处于探索阶段，离大面积推广实用还有很大距离，而且被开发出的果蔬采摘机器人的作业对象比较单一，装置的通用性较差。1. 4本课题研究的主要内容本研究是一款水果采摘机器人的结构设计。完全态的该机器人将由操作者遥控操作，带有自恃能源，拥有自动行走能力。操作者通过机载摄像头，操控机器人完成行走和采摘作业；采摘作业由机械臂末端的两只机械手协作完成，一只机械手实现对果枝的把持操作，另一只机械末端装有机械剪，完成对果实的采摘。本研究中的采摘机器人的结构设计主要有以下几方面内容构成：1 .在细分多种果实具体采摘工艺的

14、基础上设计机器人的采摘工艺，完成机器人的总体设计。2 .机器人行走机构的设计。根据本机器人的使用环境需用适当的行走机构方案，并针对本机器人的使用要求完成设计修改。3,伸缩机械臂的设计。机械臂在一定尺寸范围内能自由伸缩，以实现对差异植株果木高度的最大限度覆盖。4 .把持机械手的设计。该机械手安装于机械臂的末端，能精细动作，以实现对果枝的把持动作。5 .采摘机械手的设计。安装于机械臂的末端的该机械手带有机械剪，能精细动作，以实现对果实的采摘动作。水果采摘机器人的结构设计第2章 总体方案设计2.1原始设计参数2. 2水果采摘机器人整体方案的设计本文设计主要包括行走机构、伸缩机械臂、夹持机械手和采摘机

15、械手等四部分。根据本机器人的使用环境需用适当的行走机构方案，并针对本机器人的使用要求完成设计修改。伸缩机械臂的设计。机械臂需要能在一定尺寸范围内自由伸缩，以实现对差异植株果木高度的最大限度覆盖。夹持机械手的设计：该机械手安装于机械臂的末端，能精细动作，以实现对果枝的把持动作。剪切机械手的设计。安装于机械臂的末端的该机械手带有机械剪，能精细动作，以实现对果实的采摘动作。2.2.1 方案一方案一采取了直角坐标机器人的方案，对于直角坐标机器人来说，其运动主要包括X、Y、Z这三个轴上的直线运动，如下图2-1所示，直角坐标机器人一般采取了闭环控制的形式来进行机器人位置的控制，这种控制形式精度高稳定性好，因此直角坐标机器人很容易就可以达到很高的位置精度和运动精度，可以达到微米级别。但是这种直角坐标机器人需要一定的运动空间，因此需要设计导轨类似机构，对于其他类型的机器人来说，直角坐标机器人的尺寸相对较大，重量