草莓采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、蘇州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院(部)機(jī)電工程學(xué)院題 目草莓采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)目錄摘要1第一章 緒論31.1 研究目的與意義31.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀51.2.1 國外采摘機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀51.2.2 國內(nèi)采摘機(jī)器人的進(jìn)展71.3 發(fā)展趨勢71.4 采摘機(jī)械手的關(guān)鍵技術(shù)81.5 本課題主要研究內(nèi)容9第二章 草莓采摘機(jī)械手方案設(shè)計(jì)102.1 草莓果實(shí)生長分析（種植模式與農(nóng)藝）102.1.1 傳統(tǒng)架式栽培技術(shù)102.1.2 柱狀立體式栽培技術(shù)102.1.3 墻體栽培技術(shù)112.2 草莓果實(shí)切割與夾持力分析122.3 草莓采摘切割與夾持方案設(shè)計(jì)122.4 本章小結(jié)13第三章 草莓采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)143.

2、1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)143.1.1草莓夾持部分143.1.2 果盆夾持裝置183.1.3 傳動(dòng)部分233.2 工作原理243.3 選型253.3.1 驅(qū)動(dòng)方式的確定253.3.2 機(jī)械手材料的選擇273.4 本章小結(jié)28第四章 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制284.1 運(yùn)動(dòng)控制方案284.2 舵機(jī)控制294.3 本章小結(jié)29第六章 總結(jié)30參考文獻(xiàn)32致謝34摘要在繁雜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)中，果蔬采摘是最重要的工序之一，本課題旨在研究草莓采摘機(jī)器人的機(jī)械手設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)草莓采摘、收集一體化。在保護(hù)草莓不受損傷的前提下，提高抓取效率和采摘精度。本課題基于草莓的生長分析（種植模式與農(nóng)藝）設(shè)計(jì)了一種帶收集裝置的包裹式草莓采摘機(jī)

3、械手。（1） 根據(jù)草莓的表皮脆弱及草莓果梗細(xì)長脆弱的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了包裹式機(jī)械手，包裹式機(jī)械手與草莓的接觸部分用塑料材料防止草莓表皮的損壞，以確保在采摘時(shí)不傷及草莓表皮；（2） 根據(jù)草莓個(gè)小、簇?fù)砩L的特點(diǎn)和國內(nèi)草莓種植多采用架式立體栽培的現(xiàn)狀，確定了采摘、收集一體化的設(shè)計(jì)方案；（3） 采用單片機(jī)控制舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)，完成抓取果盆、放下果盆、草莓包絡(luò)、切割、放置等一系列動(dòng)作；（4） 制造加工成零部件并組裝，進(jìn)行實(shí)物實(shí)驗(yàn)，證實(shí)方案的可行性，并根據(jù)草莓的具體種植情況和客戶的要求做進(jìn)一步改進(jìn)。關(guān)鍵詞：機(jī)械手；種植模式；草莓采摘；切割方案；單片機(jī)控制AbstractIn the complex agricultu

4、ral production, fruit and vegetable picking is one of the most important processes. This subject is designed to study the manipulator design of the strawberry picking robot, and to realize the integration of strawberry picking and collecting. Under the premise of protecting strawberry from damage, i

5、mprove the picking efficiency and picking accuracy. Based on the Strawberry Growth Analysis (planting mode and Agronomy), a strawberry picking manipulator with a collection device was designed.(1) The wrapping manipulator is designed according to the fragility of strawberry and the fragility of stra

6、wberry stem. The contact part of the wrapped mechanical hand and strawberry prevents the damage of the strawberry epidermis by the plastic material, so as to ensure that the strawberry skin is not injured when the strawberry is picked.(2) According to the characteristics of small and cluster growth

7、of strawberry and the current situation of strawberry planting in China, the integrated design scheme of picking and collecting is determined.(3) A single chip microcomputer is used to control the movement of the steering gear, and a series of actions such as catching fruit basin, dropping fruit bas

8、in, strawberry envelope, cutting and placing are completed.(4) Manufacture and manufacture parts and assembly, carry out physical experiments, verify the feasibility of the scheme, and make further improvements based on the specific planting situation of strawberry and the requirements of the custom

9、ers.Key words: manipulator; planting mode; strawberry picking; cutting scheme; single chip microcomputer control第1章 緒論1.1 研究目的與意義我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)關(guān)乎到我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的根本，隨著城市化的進(jìn)展和科技的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)迎來了新的挑戰(zhàn)。首先，勞動(dòng)力不斷減少，隨著城市化的進(jìn)展，越來越多年輕人選擇進(jìn)入城市而不愿意將枯燥且乏味的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)工作作為自己的擇業(yè)方向；其次，隨著人民生活水平的提高，人們要求獲得更高質(zhì)量的果蔬，并且食品安全問題也越發(fā)得到社會(huì)的重視；再者，資源分配不平衡現(xiàn)象和

10、環(huán)境惡化也是巨大的問題，城市化進(jìn)展的同時(shí)伴隨著農(nóng)業(yè)用地的不斷減少，工業(yè)化的迅猛發(fā)展同時(shí)帶來了環(huán)境的惡化。為了解決這些問題，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)逐漸引進(jìn)了機(jī)器人技術(shù)，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用也將是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。農(nóng)業(yè)機(jī)器人的廣泛應(yīng)用可以給農(nóng)業(yè)帶來巨大的利益：（1） 大幅度降低用人成本，解放和發(fā)展勞動(dòng)力，以機(jī)器人代替人工作業(yè)，以往需要數(shù)百人勞作的整條生產(chǎn)線只需少數(shù)幾個(gè)人管理；（2） 采用具有高精度、高可靠性、有效控制的農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以提高種植、采摘精度，在規(guī)范化、工業(yè)模式的種植模式下，生產(chǎn)出來的果蔬質(zhì)量更高；（3） 農(nóng)業(yè)機(jī)器人能做到移栽、除蟲、采摘、收集等功能一體化，一機(jī)多用，大幅度提高了工作效率。簡而言之

11、，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)器人與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，具有高精度、高柔性、高效率和低勞動(dòng)強(qiáng)度的特點(diǎn)。但是同時(shí)，農(nóng)業(yè)機(jī)器人也仍然面臨許多問題：（1） 農(nóng)業(yè)機(jī)器人尚處于起步階段，技術(shù)未成熟，與傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人所面對(duì)的作業(yè)對(duì)象如鈑金、圓鋼相比，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象是果蔬，但是果蔬質(zhì)嫩易損，且由于環(huán)境不同和遺傳基因的差異，種類之間、個(gè)體之間往往形狀大小顏色質(zhì)感各異，需要農(nóng)業(yè)機(jī)器人具體對(duì)象具體分析；（2） 農(nóng)業(yè)環(huán)境和工業(yè)環(huán)境不同，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象是果蔬，因此，工作場所也應(yīng)是果蔬種植環(huán)境，然而不同果蔬之間種植環(huán)境不同，不同國家地區(qū)受經(jīng)緯、海拔所引起的各種氣候、土質(zhì)變化，往往也會(huì)出現(xiàn)不同的種植收獲模式，同種果蔬的個(gè)體采摘也會(huì)存

12、在不同，比如晴天雨天或枝葉遮擋、果實(shí)簇?fù)碓谝黄鸩槐悴烧?，因此，需要農(nóng)業(yè)機(jī)器人能夠具體環(huán)境具體分析； （3） 農(nóng)業(yè)機(jī)器人為了實(shí)現(xiàn)精確定位與采摘?jiǎng)幼?，需要依靠高精度視覺傳感器，但高精度的傳感器往往價(jià)格過高，能夠?qū)崿F(xiàn)控制要求的傳感器價(jià)格往往難以接受，價(jià)格低廉的傳感器缺無法實(shí)現(xiàn)要求；綜上所述，農(nóng)業(yè)機(jī)器人確實(shí)擁有非常光明的前景，但目前還有很多困難和阻礙。在繁雜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勞動(dòng)中，果蔬采摘是最重要、成本最高的工序之一，果蔬成熟之后需要及時(shí)收獲，否則會(huì)導(dǎo)致過度成熟而腐爛或是因?yàn)殛幱晏鞖舛罅繐p失。然而傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)以人力為主，在限時(shí)且大工作量的果蔬采摘中需要投入大量的人力成本，但隨著農(nóng)業(yè)用人的逐漸減少，人們需要一

13、種新型勞動(dòng)力來代替人工進(jìn)行高效低成本果蔬采摘，由此，采摘機(jī)器人孕育而生。草莓含有豐富的營養(yǎng)價(jià)值，富含維生素和膳食纖維，可以預(yù)防便秘，促進(jìn)消化。而且草莓外形好看且口感酸甜，廣受大眾喜歡，在世界范圍內(nèi)都有大量的受眾。在我國，草莓也是最受歡迎的水果之一，在國內(nèi)每年有大量的草莓出產(chǎn)，種植面積也非常大，達(dá)到200萬畝，年產(chǎn)量更是達(dá)到了200萬噸，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年以來，無論是從產(chǎn)量來看還是從草莓的種植面積來看，中國已經(jīng)成為無可置疑地成為了世界上最大的草莓生產(chǎn)國家1。與蘋果、香蕉、梨等先采摘后成熟的果蔬不同，草莓成熟后才能采摘，且采摘后會(huì)快速腐爛，保存困難且可保存時(shí)間極短，因此草莓出口數(shù)量一般較少，大部分

14、國產(chǎn)的草莓會(huì)針對(duì)自己國內(nèi)的市場。但是，國內(nèi)的草莓采摘還是以人工采摘為主，效率低下而且人力成本較高，采摘費(fèi)時(shí)，在運(yùn)往市場售賣時(shí)已出現(xiàn)大量草莓開始腐爛，且受人工的影響，草莓的價(jià)格居高不下。國外對(duì)于草莓采摘機(jī)器人的研究正處于起步階段，效率仍不理想且成本過高，仍然不能滿足市場需要，因此未大批量生產(chǎn)，由此可見，草莓采摘機(jī)機(jī)器人的研究是極具潛力的，同時(shí)，隨著科技的發(fā)展，作為采摘機(jī)器人核心部件的傳感器技術(shù)提升很快，因此草莓采摘機(jī)器人的研究前景非常光明。果蔬之間各有特點(diǎn)，由于環(huán)境的影響和基因的不同，不同種類的果蔬具有各自不同的生物學(xué)特征，因此針對(duì)不同的果蔬也需要設(shè)計(jì)不同的采摘抓手。對(duì)于表皮脆弱的果蔬，對(duì)機(jī)械手

15、抓持力的控制要求很高，不僅要保證夾住水果而且還要求不能破壞水果表面，對(duì)于細(xì)小且簇?fù)碓谝黄鸬乃?，在采摘時(shí)要求不能連帶把周圍未成熟的目標(biāo)以外的水果一同采摘。本課題研究的是草莓采摘機(jī)器人的機(jī)械手設(shè)計(jì)，而草莓正是同時(shí)具備了上述兩種特點(diǎn)，表皮脆弱、簇?fù)砩L且個(gè)體細(xì)小，如何夾持住草莓卻能同時(shí)保證不夾壞、采摘目標(biāo)水果的同時(shí)將未成熟草莓分離開，這就是本課題的重點(diǎn)問題。本課題旨在設(shè)計(jì)出一種新型的以草莓為對(duì)象，實(shí)現(xiàn)采摘、收集一體化，采摘、收集同時(shí)保證表皮不受損的草莓采摘機(jī)械手，加快采摘速度，提高機(jī)械手收獲率。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1 國外采摘機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀國外對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究已有很長的一段時(shí)間，對(duì)果蔬

16、采摘機(jī)器人的研究則始于40年前。日本、美國和歐洲發(fā)達(dá)國家相繼研究用于采摘番茄、黃瓜、蘋果、草莓、蘑菇等果蔬的智能機(jī)器人且取得了相當(dāng)不錯(cuò)的進(jìn)展。法國、荷蘭等國家相繼立項(xiàng)重點(diǎn)研究采摘蘋果、橙子、西紅柿、西瓜等的智能采摘機(jī)器人。日本近年在采摘機(jī)器人的研究取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展，但由于技術(shù)不夠成熟且由于采用的多傳感器而導(dǎo)致的價(jià)格較高，仍未大規(guī)模商業(yè)化普及。采摘機(jī)器人主要由機(jī)械臂、末端執(zhí)行器、視覺識(shí)別系統(tǒng)和行走裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和控制裝置以上留個(gè)大塊組成。20世紀(jì)90年代，日本研制出一種采用6自由度可在傾斜棚上工作的黃瓜采摘機(jī)器人，但是由于依靠視覺系統(tǒng)判斷目標(biāo)水果導(dǎo)致采摘時(shí)會(huì)受葉片遮擋影響判斷目標(biāo)；圖1 日本黃瓜

17、采摘機(jī)器人20世紀(jì)90年代末，日本崗山大學(xué)研發(fā)出一種在平面栽培模式下的草莓采摘機(jī)器人，采用吸附式設(shè)計(jì)，利用草莓質(zhì)輕個(gè)頭小的特點(diǎn)，將草莓吸入管道內(nèi)，再用旋轉(zhuǎn)刀具將果梗割斷，但是該草莓采摘機(jī)器人所需工作空間較大，限制比較大，限制了它的普及；圖2 日本草莓采摘機(jī)器人2007年，美國加州柑橘研究委員會(huì)和華盛頓蘋果委員會(huì)合作研發(fā)一種水果采摘機(jī)器人，依靠先進(jìn)的運(yùn)算能力和液壓技術(shù)，使其手抓擁有近似人手的靈敏度，應(yīng)用現(xiàn)代成像技術(shù)讓機(jī)器能識(shí)別和挑選各品質(zhì)的果蔬，大幅度提高了采摘效率和成功率，但該機(jī)器人的成本過于昂貴，距離商業(yè)化仍有一段路要走2。圖3 柑橘采摘機(jī)器人1.2.2 國內(nèi)采摘機(jī)器人的進(jìn)展我國對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人

18、領(lǐng)域上的研究工作開始于上個(gè)世紀(jì)90年代中期。我國在農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域尚處于起步階段，近年來國內(nèi)許多高校如中國農(nóng)大、江蘇大學(xué)積極介入農(nóng)業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域研究并取得了豐碩的成果。2004至2005年間，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)針對(duì)我國溫室壟作栽培的草莓，設(shè)計(jì)了3種草莓采摘機(jī)器人，分別是橋架式、4自由度龍門式和3自由度直角坐標(biāo)式草莓采摘機(jī)器人；2006年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了茄子采摘機(jī)器人，該機(jī)器人抓取成功率為89%，平均耗時(shí)為37.4s；2007年中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了六自由度圓柱形黃瓜采摘機(jī)器人，該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)定位精度為±2.5mm，末端執(zhí)行器的采摘成功率達(dá)到93.3%。國內(nèi)果蔬種植面積廣闊，隨著機(jī)械成本的降低和人力

19、成本的增高，國內(nèi)農(nóng)業(yè)機(jī)器人行業(yè)擁有大量的潛在客戶。采摘機(jī)器人擁有廣闊且光明的發(fā)展前景3。1.3 發(fā)展趨勢雖然目前果蔬采摘機(jī)器人的發(fā)展取得了較大進(jìn)步，但仍然由許多不足，主要體現(xiàn)在：（1）定位識(shí)別能力弱；（2）效率低下；（3）通用性差，價(jià)格過高；（4）專業(yè)性。為了解決上述問題，應(yīng)采取如下對(duì)策。（1） 提供更適宜的自動(dòng)化采摘環(huán)境由于各類果蔬的生長特征不同，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)環(huán)境下培育的果實(shí)往往不易于自動(dòng)化采摘工作，比如黃瓜直立生長，葉子容易遮擋果實(shí)，不便于獲取果實(shí)的視覺信息，草莓成簇生長且成熟周期不定，采摘時(shí)容易連帶采摘還未成熟的目標(biāo)以外的果實(shí)。目前，許多國家都在研究不同作物的栽培模式。（2） 多臂協(xié)作實(shí)現(xiàn)高

20、效機(jī)器人采摘的一種方法是多臂機(jī)器人采摘。 就是在移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)上安裝多個(gè)機(jī)械臂，并且每個(gè)機(jī)械臂都有對(duì)應(yīng)的目標(biāo)水果。 來自以色列的Zion（2014）設(shè)計(jì)了一種多臂甜瓜采摘機(jī)器人，該機(jī)器人能夠同時(shí)采摘大量的甜瓜。 根據(jù)多臂水果采摘的理念，Noguchi等人 （2004）也提出了一個(gè)用于野外作業(yè)的主從機(jī)器人系統(tǒng)。在這個(gè)多機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人的高度自治能力可以讓他們可以應(yīng)對(duì)突發(fā)事件和阻礙。（3） 更低的成本為了進(jìn)一步提高效率，降低生產(chǎn)成本，農(nóng)業(yè)機(jī)器人體系需要進(jìn)一步完善，實(shí)現(xiàn)從播種移栽、培育、噴灑、修剪到采摘和裝包的全自動(dòng)化管理，把勞動(dòng)力完全解放出來，同時(shí)，高度的集成化和一體化又能增加控制的準(zhǔn)確性和可

21、靠性。（4） 多技術(shù)之間的融合采摘機(jī)器人所涉及的不只是機(jī)械方面的知識(shí)，還有農(nóng)業(yè)、計(jì)算機(jī)控制、動(dòng)力學(xué)的知識(shí)，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展離不開多方面的合作。1.4 采摘機(jī)械手的關(guān)鍵技術(shù)由于環(huán)境的影響和基因的不同，不同種類的果蔬具有各自不同的生物學(xué)特征，因此針對(duì)不同的水果也需要設(shè)計(jì)不同的采摘抓手。對(duì)于外表皮較薄較脆的果蔬，對(duì)手爪抓持力的控制要求很高，不僅要保證夾住水果而且還要求不能夾斷，對(duì)于細(xì)小且簇?fù)碓谝黄鸬乃?，在采摘時(shí)要求不能連帶把周圍未成熟的目標(biāo)以外的水果一同采摘。目前，果蔬采摘機(jī)器人采摘末端執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)果實(shí)于果梗分離一般采取兩種方式，扭斷果梗和切斷果梗，扭斷果梗的方式一般用于形狀規(guī)則且質(zhì)地較硬的果

22、蔬，如蘋果、柚子等，這種工作原理下的執(zhí)行器多為多指式，對(duì)于草莓這類形狀不規(guī)則且質(zhì)地較軟的果蔬一般采取切割果梗的方式。以下將介紹幾種有代表性的采摘機(jī)械手抓。（1） 西紅柿、蘋果采摘機(jī)械手西紅柿果實(shí)表面較硬，可以使用扭斷果梗的方式采摘，西紅柿的花梗上有一關(guān)節(jié)，采摘時(shí)以三指柔性抓手抓住西紅柿并將其扭斷即可，不需剪切，類似的還有蘋果，除了指形機(jī)械手還可以使用剪刀形機(jī)械手將果實(shí)直接剪斷并夾持送入收集箱內(nèi)。（2） 小番茄采摘機(jī)械手小番茄的特點(diǎn)在于質(zhì)量較輕且表皮于草莓相比不易損壞，島根大學(xué)開發(fā)了小番茄采摘機(jī)器人，該系統(tǒng)由機(jī)械臂、末端執(zhí)行器、三維視覺傳感器和計(jì)算機(jī)組成。在這個(gè)機(jī)器人中，以柔性軟管充當(dāng)機(jī)械手的角

23、色。通過吸力作用將小番茄吸入管中，然而小番茄的果梗較硬，果梗拉住小番茄阻止其落入收集裝置，此時(shí)末端刀片切割裝置閉合，割斷果梗，小番茄落入收集裝置完成采摘。（3） 草莓采摘機(jī)械手草莓表皮柔軟及其容損壞，且由于草莓于香蕉和蘋果等水果不一樣沒有采摘后再成熟的情況，然而成熟之后的草莓非常脆弱，即使最小的擠壓也會(huì)導(dǎo)致腐爛，因此自動(dòng)化采摘比較困難。西班牙公司AGROBOT S.L根據(jù)需求開發(fā)了草莓自動(dòng)采摘機(jī)器人AGROBOT SW，完成從定位采摘到自動(dòng)包裝的一系列工作，并保護(hù)草莓不被壓破或掉落，該采摘機(jī)械手呈籃子外觀，利用草莓果梗細(xì)軟的特點(diǎn)，將果實(shí)包住并后退，在拉力的作用下果梗被拉斷完成采摘。草莓采摘機(jī)械

24、手還有一種采摘思路為柔性手抓采7。草莓表皮脆弱，而柔性機(jī)械手是采用軟體材料用氣動(dòng)控制，仿照人手握住草莓，再配合一個(gè)割斷裝置割斷果梗。1.5 本課題主要研究內(nèi)容草莓與蘋果、梨等果蔬不同，具有表皮易損壞、可保存時(shí)間短、個(gè)體之間形狀大小區(qū)別大的特性。如何高效率低損傷進(jìn)行草莓采摘工作至今仍是一個(gè)難題。本課題的任務(wù)是通過對(duì)草莓種植模式和草莓果實(shí)力學(xué)特性分析，設(shè)計(jì)一種新型的草莓采摘機(jī)械手。該機(jī)械手能同時(shí)完成采摘與收集工作，要求該機(jī)械手抓取草莓時(shí)對(duì)草莓的外形大小變化有足夠的自適應(yīng)能力，機(jī)械手在采摘時(shí)完全包絡(luò)住草莓且完成無損采摘，結(jié)構(gòu)簡單并且成本較低，能夠適應(yīng)市場需求，適宜于在機(jī)器人采集系統(tǒng)中使用。 第2章

25、草莓采摘機(jī)械手方案設(shè)計(jì)2.1 草莓果實(shí)生長分析（種植模式與農(nóng)藝）草莓種植模式按種植介質(zhì)不同可以分為土壤種植與無土種植；按環(huán)境利用方案不同可以分為空間立體種植、地面式立體種植。立體種植方案是一種能夠充分利用陽光與空間資源的一種無土栽培方式。草莓立體種植方案省力、便于管理且高效率，能夠在有限的空間、光照條件下盡量提高草莓產(chǎn)量，立體種植與無土栽培結(jié)合，草莓種植不受土質(zhì)影響，且采摘方便，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采摘，在現(xiàn)代草莓種植中應(yīng)用較為廣泛。草莓立體種植主要有以下幾種種植模式：傳統(tǒng)架式栽培；柱狀立體式栽培；墻體栽培。2.1.1 傳統(tǒng)架式栽培技術(shù)架式栽培是利用分層框架充分利用立體空間的草莓種植方式，為保證光照

26、并盡量減少遮光，一般栽培架南北拜訪，栽培架之間保證適宜的間距（圖4）。圖4 A字架草莓栽培2.1.2 柱狀立體式栽培技術(shù)柱狀立體栽培與架式栽培一樣是以充分利用空間資源與光照為目的，但與架式栽培不同的是，架式栽培可以采用多種介質(zhì)，而柱狀栽培只能是土壤種植，而且此栽培模式具有光照不均勻、澆水費(fèi)時(shí)等缺點(diǎn)（圖5）。圖5 柱狀立體栽培2.1.3 墻體栽培技術(shù)墻體栽培能有效利用空間和空間，和柱狀、架式栽培相比，更加適合觀賞性農(nóng)業(yè)種植（圖6），如綠色回廊（圖7）。圖6 墻體栽培圖7 綠色回廊2.2 草莓果實(shí)切割與夾持力分析草莓的大小根據(jù)品種不同往往差異較大，表1是根據(jù)果實(shí)大小重量提出的草莓分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。表1 草

27、莓質(zhì)量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)1級(jí)別果縱徑果橫徑果重一級(jí)品4.5-5.8cm4.2-5.5cm24.1-32.6g二級(jí)品3.3-4.5cm3.0-4.1cm16.2-23.8g三級(jí)品1.9-3.0cm1.7-2.8cm7.0-15.4g果實(shí)采摘機(jī)械手一般可分為兩部分，一部分為切割裝置，一部分為夾持機(jī)構(gòu)，草莓采摘機(jī)械手也是如此，但與其他機(jī)械手不同的是，草莓個(gè)小表皮脆弱，果梗脆弱。草莓的果梗直徑根據(jù)草莓果實(shí)的大小而不同，切割力也有所不同，但可以確定的是，割斷草莓果梗所需的切割力非常小，且夾持時(shí)不應(yīng)施加太大的夾持力，不宜將果實(shí)與金屬部分接觸，防止損壞。2.3 草莓采摘切割與夾持方案設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)草莓采摘機(jī)械手采摘方

28、案時(shí)有設(shè)想過幾種不同的切割方案，分別如下：（1） 軟體式三指夾持機(jī)構(gòu)和剪形切割機(jī)構(gòu)軟體式多指機(jī)械手是今年的研究成果，機(jī)械手仿照人手設(shè)計(jì)，靈活且不易傷及水果，可適應(yīng)大小不同的各類果蔬，草莓本身表皮脆弱，因此確實(shí)軟體式三指夾持方案適合于草莓，但是考慮到軟體式多指機(jī)械手所需成本較高而且草莓個(gè)小，軟體式機(jī)械手需要設(shè)計(jì)的比以往更加精小，如此會(huì)大大增加其成本，因此軟體式三指夾持方案不是最佳的草莓夾持方案。（2） 包絡(luò)式果籃夾持機(jī)構(gòu)和圓刀片割斷機(jī)構(gòu)草莓質(zhì)輕且表皮脆弱決定了草莓無法像蘋果或其他表皮較硬的水果一樣采取剛性或半柔性壓力式夾持方案，因此，在排除了軟體式三指夾持方案的情況下應(yīng)選擇包絡(luò)式草莓夾持方案。而

29、草莓果梗較為細(xì)軟，在西班牙的AGROBOT S.L公司更是采用了直接拉斷果梗的切割方案，但考慮到拉斷果梗時(shí)壓力對(duì)草莓表皮質(zhì)量的影響，采用由兩個(gè)圓刀片構(gòu)成的切割方案，雖然也是需要壓力的作用，但刀片的存在大大減輕了拉斷果梗所需的壓力大小。在這些條件下本課題中開發(fā)了一種新型的草莓采摘機(jī)械手，采摘與切割一體化，采摘部分由兩個(gè)圓弧狀籃子構(gòu)成，視覺機(jī)構(gòu)將草莓定位后通過機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)將草莓送入籃中，采摘籃與草莓接觸部分使用塑料套件，在夾持草莓時(shí)保護(hù)草莓免受損壞，兩片抓手之間有圓刀片，落入籃中的草莓在機(jī)械臂的帶動(dòng)下向后拉動(dòng)，此時(shí)果梗與刀片接觸而被剪斷。2.4 本章小結(jié)本章主要是對(duì)草莓的種植環(huán)境及栽培方式進(jìn)行了調(diào)查

30、研究。介紹了現(xiàn)今較為常見的三種栽培模式：傳統(tǒng)架式栽培、柱狀立體式栽培和墻體栽培，比較了這些方案的優(yōu)缺點(diǎn)與區(qū)別。其中傳統(tǒng)架式栽培更加常見且運(yùn)用廣泛，在此立體栽培模式的基礎(chǔ)上結(jié)合草莓個(gè)小質(zhì)輕的簇?fù)砩L、果梗細(xì)長脆弱的特點(diǎn)，分析在這些立體栽培模式下所合適的采摘與切割方案，最終選擇了包絡(luò)式草莓夾持方案與圓刀片切割方案，并在此基礎(chǔ)上確定了采摘與收集一體化的采摘方案。此方案更加符合現(xiàn)在中國農(nóng)業(yè)草莓的種植采摘，成本更低，效率更高而且在采摘過程中對(duì)草莓的傷害較小。第3章 草莓采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)草莓采摘機(jī)械手由連接部分、草莓夾持部分、切割刀片、收集裝置、果盆夾持裝置構(gòu)成，如圖4所示，長25c

31、m，寬20cm，高30cm，總質(zhì)量1kg。26543圖8 草莓采摘機(jī)械手 1.收集裝置 2.切割刀片 3.草莓夾持部分 4.連接部分 5.傳動(dòng)部分 6.果盆夾持裝置3.1.1草莓夾持部分草莓夾持部分是整個(gè)草莓采摘機(jī)械手的核心，在視覺系統(tǒng)定位后，草莓夾持部分在機(jī)械臂的帶動(dòng)下包絡(luò)住草莓并用圓刀片割斷草莓的果梗。草莓夾持部分單側(cè)3D圖如下（圖5）。此夾持部分由前后板件、橡膠軸套、齒輪、定位裝置、圓刀片等零部件構(gòu)成，由草莓大小分析可知，草莓的果橫徑從最小的三級(jí)品種的2.8cm到最大的一級(jí)品的5.5cm變化，因此，夾持機(jī)構(gòu)橫向?qū)挾缺仨毚笥诓葺赡苓_(dá)到的最大果橫徑。在此機(jī)構(gòu)中，夾持籃采用鏤空設(shè)計(jì)，盡量減少

32、了機(jī)構(gòu)重量，并且在草莓與加持藍(lán)的接觸部分裝有橡膠套筒，以免尖銳部分傷到草莓，每個(gè)套筒的長度都為10mm，每根軸上都套有6個(gè)套筒，因此，此夾持機(jī)構(gòu)的寬度滿足草莓果橫徑要求。草莓果梗脆弱，較易割斷，不需要特意使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀片割斷，草莓進(jìn)入草莓夾持部分后，在機(jī)械臂的作用下果梗接觸到圓刀片，在機(jī)械臂施加力的作用下，果梗被割斷。為了方便割斷果梗，從刀片切割位置到夾持部分底部的距離不應(yīng)低于草莓的果縱徑，草莓中一級(jí)品果縱徑最大，為4.5-5.8cm，而在所設(shè)計(jì)的草莓夾持部分中，從刀片到夾持部分底部距離為5.9cm，因此可以滿足要求。321圖9 草莓夾持部分 1.套筒 2.定位裝置 3.圓刀片 4.齒輪草莓夾

33、持部分有兩個(gè)工作狀態(tài)，第一個(gè)為草莓的收集割斷狀態(tài)，另一個(gè)為草莓的收集狀態(tài)。在第一狀態(tài)中，草莓夾持部分不做運(yùn)動(dòng)，全程由機(jī)械臂帶動(dòng)，在第二個(gè)狀態(tài)中，由舵機(jī)控制，轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度帶動(dòng)其連接的夾持籃旋轉(zhuǎn)，通過齒輪帶動(dòng)另一側(cè)夾持籃反向旋轉(zhuǎn)，夾持籃之間縫隙擴(kuò)大，使果梗已被割斷的草莓落入下方的收集裝置中。為使草莓落下，夾持籃張開角度應(yīng)大于草莓的果橫徑，我們可以通過對(duì)其示意圖（圖6）的分析選取一個(gè)合適的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。計(jì)算公式分析如下：圓心至縱向垂直輪廓距離約為35mm，垂直方向輪廓線長度約為70mm，設(shè)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為，則底部橫向距離為：由于草莓果實(shí)落下時(shí)的狀態(tài)不定，因此草莓夾持機(jī)構(gòu)打開的縫隙應(yīng)同時(shí)大于草莓的果縱徑和果

34、橫徑，保證無論草莓處于何種狀態(tài)，草莓都能安全落下。一級(jí)品草莓的果縱徑最大為5.8mm，果橫徑最大為5.5mm，因此選擇舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度20度時(shí)可以保證草莓下落。若需要選取一個(gè)合適的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，使草莓能夠從草莓夾持機(jī)構(gòu)中落下，則要求，即： 即舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度至少要18°時(shí)可以保證即使是一級(jí)品中最大的草莓也可以掉落。我們可以從以下的圖片上更清楚地看到隨著舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，夾持部分底部縫隙的距離的變化情況。如圖10所示，這是草莓夾持部分在第一狀態(tài)的示意圖，兩個(gè)齒輪軸心之間的距離為80mm，夾持部分底部縫隙距離為11.42mm。圖10 當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0°時(shí)此時(shí)設(shè)舵機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)10°，則底

35、部距離變化為37mm，如圖11所示。圖11 當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為10°時(shí)此時(shí)設(shè)舵機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)15°，則底部距離變化為50mm，如圖12所示。圖12 當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為15°時(shí)此時(shí)設(shè)舵機(jī)帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)20°，則底部距離變化為64mm，如圖9所示。圖13 當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為20°時(shí)一級(jí)品草莓的果縱徑最大為5.8mm，果橫徑最大為5.5mm，因此選擇舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度20度時(shí)可以保證草莓下落。草莓夾持裝置上還有一個(gè)比較重要的部分為定位裝置，由于草莓采摘機(jī)器人的工作環(huán)境多為架式草莓栽培環(huán)境，定位裝置的存在可以保護(hù)草莓采摘機(jī)械手，減少碰撞，定位裝置由一個(gè)半球形螺帽與彈簧組成，定位

36、裝置撞壁后，彈簧受力壓縮，進(jìn)行緩沖。同時(shí)，機(jī)械臂得到信號(hào)，采摘機(jī)械手已經(jīng)到達(dá)指定位置，可下達(dá)下一條指令。3.1.2 果盆夾持裝置果盆夾持裝置負(fù)責(zé)草莓的收集。由于草莓個(gè)小簇?fù)砩L的特點(diǎn)，草莓收集如果采用與蘋果采摘或西紅柿采摘同樣的收集方案，效率會(huì)極度低下。蘋果收集方案為收集采摘分離式，每次采摘完一個(gè)蘋果機(jī)械臂收到指令將蘋果放置到收集框中，再進(jìn)行下一輪收集。由于蘋果彼此之間距離較遠(yuǎn)、個(gè)體較大且重量較重，這個(gè)方案非常適合蘋果，但不適合像草莓這種作物。蘋果重量較大，機(jī)械臂承重?zé)o法支撐放置多個(gè)蘋果的收集裝置，因此不適合采用采摘收集一體化方案，而草莓質(zhì)輕且個(gè)頭較小，再加上草莓簇?fù)砩L的特點(diǎn)，如果采用與蘋果

37、采摘一樣的收集方案，收集同樣重量的草莓需要5倍甚至更多的工作量，因此，草莓采摘收集不可避免地需要選用效率更高的采摘收集一體化方案。草莓收集裝置是一個(gè)塑料盆，直徑150mm，高度100mm，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測量，得到表2如下表2 裝滿草莓的收集盆重量實(shí)驗(yàn)次數(shù)第一次第二次第三次第四次重量/g487504533528其中，第一次和第二次測量采用的是小草莓，及二級(jí)品和三級(jí)品的草莓，第三次和第四次采用的是一級(jí)品的草莓。草莓和收集盆的總重在0.5kg左右，整個(gè)采摘機(jī)械手部分重1kg左右，而機(jī)械臂的承重可達(dá)到3-5kg，也就是說，此采摘收集一體化方案是完全可行的。果盆收集裝置由一個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過四桿機(jī)構(gòu)使夾持臂開合，

38、夾持部分有兩個(gè)工作狀態(tài)。采摘機(jī)器人開始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，此舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)，夾持臂張開，夾持一個(gè)收集盆，此為第一個(gè)工作狀態(tài)。舵機(jī)歸位，帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)，失去舵機(jī)力的作用，在扭簧的作用下夾持臂將收集盆夾緊，此為第二個(gè)工作狀態(tài)。當(dāng)收集盆裝滿草莓時(shí)，機(jī)械臂帶動(dòng)采摘機(jī)械手回到起點(diǎn)，再次進(jìn)入第一工作狀態(tài)，放下裝滿草莓的收集盆，換上一個(gè)空盆，再次進(jìn)入第二個(gè)工作狀態(tài)。夾持臂與夾持抓之間用螺釘連接，夾持抓有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)空間，因此，此果盆夾持裝置不僅可以使用直徑150mm的收集盆，對(duì)一定范圍直徑的收集盆也同樣適用。以下將討論果盆夾持裝置的開閉角度及可適用的果盆直徑。圖14 四桿夾持機(jī)構(gòu)如圖14所示，此為草莓采摘機(jī)械手爪的

39、后下方四桿機(jī)構(gòu)及舵機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，主要由四桿機(jī)構(gòu)、夾持機(jī)構(gòu)、靈活抓手舵機(jī)和舵機(jī)搖臂組成，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，兩側(cè)四桿機(jī)構(gòu)相反方向運(yùn)動(dòng)，完成夾緊和松開動(dòng)作。圖15 四桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖其結(jié)構(gòu)簡圖如圖15所示。連桿1長60mm，連桿2長16.5mm，舵機(jī)搖臂長20mm。在草莓采摘機(jī)械手抓取草莓時(shí)，舵機(jī)處于松弛狀態(tài)，未曾轉(zhuǎn)動(dòng)，果盆加持機(jī)構(gòu)由扭簧帶動(dòng)夾緊果盆，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，則四桿機(jī)構(gòu)被向內(nèi)拉動(dòng)，加持機(jī)構(gòu)外張，果盤掉落。計(jì)算公式如下：四桿機(jī)構(gòu)的橫向尺寸變化帶入數(shù)據(jù)得簡化得當(dāng)時(shí)取得最大值，由于實(shí)際上連桿存在厚度，因此不可能達(dá)到能使取得最小值時(shí)的角度，因此，實(shí)際可取得最小時(shí)的轉(zhuǎn)角為兩連桿相互碰撞干

40、涉時(shí)的角度。由于連桿的厚度為10mm，設(shè)連桿設(shè)連桿之間距離為，則連桿之間距離與舵機(jī)搖臂之間的夾角為當(dāng)時(shí)，則夾角為60°，則由此可知舵機(jī)搖臂與連桿1之間的夾角為30°。則結(jié)合已知條件求：已知連桿1的長度；搖臂半徑；則或36°，此處應(yīng)取144°則由此可知，下方舵機(jī)所允許的轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍為0°到144°但考慮到避免無謂的碰撞，減少磨損，取舵機(jī)允許轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0°到120°。夾持機(jī)構(gòu)前后桿長比為35mm:50mm，兩夾持板件螺孔之間距離為156mm。設(shè)可夾持果盆直徑為,則可得當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，為了更直觀清晰表述，下方以圖像形式表述四

41、桿機(jī)構(gòu)從與水平呈0°夾角到120°的變化過程。可以假設(shè)開始時(shí)舵機(jī)搖臂處于水平狀態(tài)。此時(shí)，四桿機(jī)構(gòu)外張最大，可夾持的果盆直徑最?。▓D16）。圖16 四桿機(jī)構(gòu)處于水平角度在搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)到水平方向時(shí)，連桿1和連桿2都為水平狀態(tài)，如圖所示。此時(shí)，。圖17 四桿機(jī)構(gòu)處于與水平120°當(dāng)搖臂轉(zhuǎn)動(dòng)到與水平夾角120度時(shí)，可見圖12，此時(shí)，由此可知，通過下方舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過四桿機(jī)構(gòu)，果盆夾持角度開合范圍為144mm到165mm，連桿2寬度為10mm，當(dāng)兩個(gè)連桿之間相隔距離為10mm以上時(shí)則不會(huì)碰撞，在搖臂旋轉(zhuǎn)到與水平夾角120度的狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)連桿之間相距15mm，此時(shí)仍為安全位置，當(dāng)

42、旋轉(zhuǎn)角度超過144度時(shí)才會(huì)產(chǎn)生碰撞，因此，可以確定此運(yùn)動(dòng)過程安全可靠。雖然靈活抓手的結(jié)構(gòu)，使得其可轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，方便夾持和松開動(dòng)作，但由于實(shí)際夾持果盆時(shí)，在放下果盆時(shí)搖臂還需順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度方便靈活抓手松開。因此，從以上所得數(shù)據(jù)中，我們可以認(rèn)為此果盆夾持機(jī)構(gòu)可以夾持直徑在145mm到160mm的果盆。3.1.3 傳動(dòng)部分由于草莓采摘機(jī)械手的工作環(huán)境是在立體栽培環(huán)境下，可以理解為，在一個(gè)光整的墻上懸掛著草莓，而本課題的草莓采摘機(jī)械手的任務(wù)就是將草莓從墻上采摘收集下來。本課題中所研發(fā)的草莓采摘機(jī)械手是采摘收集一體化機(jī)械手，收集裝置是一個(gè)圓筒型收集裝置，要保證在采摘時(shí)收集裝置不撞墻，而在收集時(shí)

43、草莓又能落到收集盆中，因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)空間四桿機(jī)構(gòu)，控制草莓夾持機(jī)構(gòu)與收集盆加持機(jī)構(gòu)的前后相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)采摘草莓時(shí)，收集盆后縮，當(dāng)舵機(jī)控制草莓采摘籃轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，齒輪拉動(dòng)桿件，四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，拉動(dòng)收集裝置向前運(yùn)動(dòng)，草莓落入收集盆中。舵機(jī)歸位，采摘藍(lán)回轉(zhuǎn)，收集盆被四桿機(jī)構(gòu)拖動(dòng)再次回縮（圖18）。圖18 傳動(dòng)部分如圖18所示，與齒輪相連的連桿將齒輪通孔與底板件之間的垂直距離變化傳遞到與底板相連的連桿，與底板相連的連桿將垂直距離的變化轉(zhuǎn)變?yōu)闄M向距離的變化。由本章第一小節(jié)草莓夾持部分中所設(shè)定，控制草莓夾持部分的旋轉(zhuǎn)角度為20度，在此基礎(chǔ)上，在SOLIDWORKS中實(shí)驗(yàn)，通過改變旋轉(zhuǎn)角度，當(dāng)舵機(jī)從0度轉(zhuǎn)動(dòng)到2

44、0度時(shí)，底板向后移動(dòng)10個(gè)毫米的距離。由于舵機(jī)能夠提供的扭矩有限，為了降低使用力，降低傳動(dòng)時(shí)所需的摩擦，參考抽屜的滑槽機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)有兩個(gè)滑輪帶動(dòng)的滑槽機(jī)構(gòu)，大幅度降低了摩擦力。3.2 工作原理整個(gè)工作流程可以歸納如下：第一步，開機(jī)后，下方舵機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)45°，控制草莓采摘機(jī)械手抓取一個(gè)空果盆，下方舵機(jī)歸位；第二步，草莓采摘機(jī)器人沿規(guī)定的路徑行駛，視覺系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)成熟的草莓；第三步，機(jī)械臂運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)草莓的下方；第四步，機(jī)械臂運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)械手向前運(yùn)動(dòng)，定位裝置撞墻，彈簧緩沖后，傳感器收到信號(hào)已前進(jìn)至極限；第五步，機(jī)械手向上移動(dòng)，將草莓包絡(luò)進(jìn)采摘籃中；第六步，機(jī)械手向后向上移動(dòng)，

45、拉扯果梗，果梗與刀片接觸，果梗被割斷，草莓落入采摘籃中；第七步，上方舵機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)20°，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)收集盆前移，草莓落入收集盆中，上方舵機(jī)歸位，收集盆向后縮回原位。第八步，循環(huán)以上動(dòng)作，直至收集盆收集滿；第九步，機(jī)械臂帶動(dòng)草莓采摘機(jī)械手回到原位，下方舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，換上空收集盆，下方舵機(jī)歸位；第十步，重復(fù)以上動(dòng)作，直至草莓收集任務(wù)完成。圖19 草莓采摘機(jī)器人的工作流程圖3.3 選型3.3.1 驅(qū)動(dòng)方式的確定驅(qū)動(dòng)是為草莓機(jī)械抓手提供動(dòng)力，控制其完成指定的動(dòng)作、到達(dá)預(yù)期的位置。目前，常用的驅(qū)動(dòng)方式有：液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)。以下，將分析各驅(qū)動(dòng)方式的相應(yīng)特點(diǎn)，以選擇一種合適的驅(qū)動(dòng)方式。（

46、1） 液壓驅(qū)動(dòng)：液壓驅(qū)動(dòng)可提供的輸出大、功率高、慣性小且質(zhì)量較輕，但往往結(jié)構(gòu)較精密，需要增設(shè)液壓源，且有產(chǎn)生泄露的風(fēng)險(xiǎn)，但在草莓采摘機(jī)器人中不需要液壓驅(qū)動(dòng)來提供如此高的動(dòng)力。因此，液壓驅(qū)動(dòng)并不適合草莓采摘機(jī)械手。（2） 氣壓驅(qū)動(dòng)：氣壓驅(qū)動(dòng)與液壓驅(qū)動(dòng)相比，成本更加低廉且結(jié)構(gòu)更加簡單、安全，但在同體積條件下，輸出不如液壓驅(qū)動(dòng)，且控制精度低，不適宜對(duì)點(diǎn)位控制要求較高的草莓采摘機(jī)械手。（3） 電機(jī)控制：電機(jī)控制精度較高、輸出轉(zhuǎn)矩大，但往往不能直接驅(qū)動(dòng)，需要與減速裝置相連，大大增加機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和整體重量，電機(jī)大體可分為以下三種：步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)、舵機(jī)。步進(jìn)電機(jī)可以直接實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，需要減速裝置。

47、控制簡單，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰坪途€位移，靠電脈沖信號(hào)來控制角度和轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，沒有傳感器，因此轉(zhuǎn)動(dòng)的角度會(huì)有偏差，且偏差一般較大，在低速運(yùn)行時(shí)會(huì)出現(xiàn)低頻震動(dòng)現(xiàn)象，平穩(wěn)性差且重量大，輸出轉(zhuǎn)矩低，轉(zhuǎn)速不高，但同時(shí)成本低廉。伺服電機(jī)靠傳感器來控制轉(zhuǎn)動(dòng)位置，位置控制準(zhǔn)確且轉(zhuǎn)速可控，抗過載能力強(qiáng)，發(fā)熱和噪音低，結(jié)構(gòu)簡單、體積小與步進(jìn)電機(jī)相比穩(wěn)定性和可靠性更強(qiáng)，但往往價(jià)格相對(duì)較昂貴，同樣需要與減速裝置相連。舵機(jī)應(yīng)用范圍較廣，可用于驅(qū)動(dòng)智能小車這樣需求功率較小的場合，也可用于航天、航海等需要大功率驅(qū)動(dòng)的場合。舵機(jī)即是直流電機(jī)、減速器、電機(jī)控制器的集合體，結(jié)構(gòu)輕巧，占用體積小，不需要外裝減速裝置。舵機(jī)靠脈寬調(diào)

48、制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)控制功能，控制精度高，體積小，重量輕，穩(wěn)定性好，能提供較大扭矩，價(jià)格在步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)之間。舵機(jī)適用于需要角度不斷變化且有保持能力的控制系統(tǒng)。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，比起步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，舵機(jī)更適合本課題，本課題中，需要使用兩個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，上方的舵機(jī)用于驅(qū)動(dòng)采摘籃的開閉，由于采摘藍(lán)較重且通過齒輪還連接傳動(dòng)部分，所需扭矩較大，草莓采摘機(jī)械手的整體質(zhì)量約為1kg，上方舵機(jī)控制的是采摘藍(lán)的開閉，單側(cè)采摘藍(lán)的質(zhì)量約為0.4kg，且左右兩側(cè)采摘藍(lán)需要的驅(qū)動(dòng)力矩一致，設(shè)力臂為3cm，在理想情況下，不考慮摩擦力的影響，整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中，只受重力的影響，則。由于本計(jì)算只考慮理想情況，未考慮及摩擦力等其他情況

49、影響，且草莓采摘籃的質(zhì)量及力矩皆為估算，可能會(huì)與實(shí)際情況有所出入，因此，采用32.3N*cm的大扭力舵機(jī)較為合適。而下方舵機(jī)用于驅(qū)動(dòng)果盆夾持裝置的開閉，果盆有凸邊，不需要以摩擦力防止收集盆掉落，在舵機(jī)轉(zhuǎn)角為0°時(shí)，由扭簧使夾持機(jī)構(gòu)夾緊果盆，因此當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，需要能夠有足夠的轉(zhuǎn)矩使扭簧進(jìn)入壓縮狀態(tài)，本草莓采摘機(jī)械手中采用的扭簧的線徑為0.6mm，扭矩，扭矩不超過5N，力臂為1cm，遠(yuǎn)小于舵機(jī)能提供的最大扭矩，因此可以選擇提供扭力較小的20N*cm的舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。3.3.2 機(jī)械手材料的選擇選擇草莓采摘機(jī)械手材料的時(shí)候，應(yīng)該在滿足采摘作業(yè)要求的前提下，盡量減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和體積，降低所需的材料

50、費(fèi)用，簡化草莓采摘手的機(jī)械結(jié)構(gòu)。減小機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和驅(qū)動(dòng)力矩，提高整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能。在本草莓采摘機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要使用了以下兩種材料：（1） SUS304不銹鋼：密度較大，硬度較大，不易刮損，延展性好，易于加工，耐腐蝕性好，在潮濕溫和的環(huán)境下不易生銹。草莓采摘機(jī)械手所承擔(dān)負(fù)載不大，SUS304不銹鋼滿足剛度和強(qiáng)度的前提，是制作草莓采摘機(jī)械手的理想材料。在草莓采摘機(jī)械手中，鈑金件和兩條長軸均使用不銹鋼材料。表3 SUS304特性參數(shù)屈服強(qiáng)度（MPa）抗拉強(qiáng)度（MPa）延伸率（%）密度（g/cm3）耐腐蝕性均勻性韌性205520407.93良好良好良好（2） ABS塑料：ABS材料

51、是丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物板的簡稱，它是一種聚合物塑料，耐磨性好，抗沖擊能力強(qiáng)且質(zhì)輕、尺寸穩(wěn)定，且耐磨性好，能夠適應(yīng)潮濕溫和的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境。在本草莓采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)中，需要使用兩個(gè)分度圓直徑40mm的齒輪，若此兩齒輪使用不銹鋼材料則重量過重，因此可采用ABS材料，且ABS塑料材料對(duì)比金屬材料表面更加光滑，不易對(duì)草莓造成傷害。因此，草莓采摘機(jī)械手的采摘藍(lán)中的套筒也可以選用ABS材料。3.4 本章小結(jié)本章主要是在上一章確定了采摘方案的基礎(chǔ)下，具體設(shè)計(jì)出了一整套草莓采摘機(jī)械手的結(jié)構(gòu)，主要包括采摘藍(lán)、驅(qū)動(dòng)裝置、收集裝置、果盆夾持機(jī)構(gòu)及四桿傳動(dòng)部分。本草莓采摘機(jī)械手采用包絡(luò)式夾持方案，用果盆收集采摘的

52、草莓，根據(jù)草莓的大小特征確定采摘藍(lán)的大小尺寸和圓刀片的上下位置，根據(jù)草莓的橫縱徑確定采摘籃的開閉角度，根據(jù)四桿機(jī)構(gòu)和果盆夾持裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化區(qū)間選擇果盆直徑。在確定草莓采摘機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)和整體估重后，根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)所需力矩的大小及驅(qū)動(dòng)成本等因素的考慮，選擇舵機(jī)驅(qū)動(dòng)。在確定了草莓采摘機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)及參數(shù)后在確保機(jī)械手質(zhì)量和可靠性的前提下，為了降低成本、降低整體重量，選材上選擇不銹鋼制的鈑金和圓鋼、ABS塑料制的齒輪和軸套。第4章 機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制4.1 運(yùn)動(dòng)控制方案本課題中設(shè)計(jì)的草莓采摘機(jī)械手由兩個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，舵機(jī)控制可以由幾種方案實(shí)現(xiàn)，如：FPGA控制、單片機(jī)控制。FPGA和單片機(jī)最大的不同

53、在于其運(yùn)行速度。FPGA運(yùn)行速度快運(yùn)行穩(wěn)定且抗干擾性強(qiáng)，適用于高速運(yùn)行電路，但FPGA價(jià)格過高且電路結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，編程語言不易學(xué)習(xí)。單片機(jī)也能完成對(duì)舵機(jī)的控制，用PWM信號(hào)的脈沖寬度實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)的變化，從而提高舵機(jī)的轉(zhuǎn)角精度。單片機(jī)完成控制算法，再將計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)輸出到舵機(jī)，單片機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)，受外界干擾較小，整個(gè)系統(tǒng)工作可靠。經(jīng)過對(duì)比，選擇使用單片機(jī)來對(duì)兩個(gè)舵機(jī)進(jìn)行控制。4.2 舵機(jī)控制本課題的草莓采摘機(jī)械手中采用兩個(gè)舵機(jī)，舵機(jī)采用單片機(jī)控制。舵機(jī)靠脈寬調(diào)制信號(hào)來實(shí)現(xiàn)控制功能，信號(hào)進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片獲得直流偏置電壓。舵機(jī)內(nèi)部安裝有基準(zhǔn)電路，這是產(chǎn)生周期為20ms、寬度為1.5ms

54、的基準(zhǔn)信號(hào)。將得到的偏置電壓同基準(zhǔn)電路電壓比較求差值，電壓差值輸出，電壓差的正負(fù)決定舵機(jī)順時(shí)針還是逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)的控制信號(hào)是PWM信號(hào)，通過占空比的變化改變舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。舵機(jī)的控制需要一個(gè)20ms的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms-2.5ms范圍的角度控制部分，以180°角度伺服為例，則得到下表表4 高電平占時(shí)與舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的對(duì)應(yīng)關(guān)系0.5ms1.0ms1.5ms2.0ms2.5ms0°45°90°135°180°在本草莓采摘機(jī)械手中需要使用兩個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，分別裝在連接部分的上下側(cè)，上方舵機(jī)工作中需要轉(zhuǎn)動(dòng)角度為順勢針

55、20°，下方舵機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)角度為順時(shí)針120°。想讓上方舵機(jī)轉(zhuǎn)向左20°的角度，它的正脈沖為0.73ms，則負(fù)脈沖為20ms-0.73ms=19.27ms。開始時(shí)發(fā)送高電平，設(shè)置定時(shí)器在0.73ms中斷，中斷發(fā)生后，將控制口改為低電平，并將中斷時(shí)間改為19.27ms，再過19.27ms進(jìn)入下一次定時(shí)中斷，再改為高電平，并將定時(shí)器初值改為0.73ms，如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)輸出到舵機(jī)。用修改定時(shí)器中斷初值的方法形成脈沖信號(hào)，調(diào)整時(shí)間段的寬度便可使伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，下方舵機(jī)轉(zhuǎn)向左120°的角度，它的正脈沖為1.33ms，則負(fù)脈沖為20ms-1.33ms=18

56、.67ms。所以開始時(shí)發(fā)送高電平，然后設(shè)置定時(shí)器在1.33ms后發(fā)生中斷，中斷發(fā)生后，將控制口改為低電平，并將中斷時(shí)間改為18.67ms，再過18.67ms進(jìn)入下一次定時(shí)中斷，再改為高電平，并將定時(shí)器初值改為1.33ms。4.3 本章小結(jié)本章主要是在確定了驅(qū)動(dòng)方式的基礎(chǔ)上，通過對(duì)比單片機(jī)控制與FPGA控制的優(yōu)缺點(diǎn)最終選擇以單片機(jī)控制整體機(jī)構(gòu)所用的兩個(gè)舵機(jī)。根據(jù)舵機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)原理學(xué)習(xí)如何控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)角度，最終編程完成所需的控制代碼。第六章 總結(jié)果蔬采摘機(jī)器人在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域扮演者非常重要的角色，而果蔬采摘機(jī)械手是果蔬采摘機(jī)器人中不可或缺的組成部分。由于果蔬之間種植模式各有不同，而果蔬種類

57、之間形態(tài)、質(zhì)量、大小各有差異，針對(duì)每種果蔬都有最優(yōu)的自動(dòng)化采摘方式，因此針對(duì)不同果蔬也應(yīng)該設(shè)計(jì)相應(yīng)的定制化采摘機(jī)械手。本課題以草莓為對(duì)象設(shè)計(jì)了新型的草莓采摘機(jī)械手，根據(jù)草莓質(zhì)輕、個(gè)小簇?fù)砩L的特點(diǎn)確定了采摘、收集一體化的草莓采摘方案，根據(jù)草莓表皮脆弱易爛、果梗細(xì)長易斷的特點(diǎn)確定了包絡(luò)式夾持和拉斷式切割方案；根據(jù)草莓大小尺寸的要求，完成數(shù)據(jù)運(yùn)算，完成草莓采摘機(jī)械手的結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)；根據(jù)收集工作的溫度、濕度環(huán)境特點(diǎn)，同時(shí)考慮價(jià)格和重量因素選材以SUS304不銹鋼為主ABS塑料為輔；對(duì)比液壓驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)缺點(diǎn)，考慮到各因素選擇以電機(jī)驅(qū)動(dòng)，對(duì)比電機(jī)中步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)和舵機(jī)的不同，考慮到驅(qū)動(dòng)效率、穩(wěn)定性和價(jià)格因素選擇舵機(jī)驅(qū)動(dòng)