【蘋果采摘機(jī)械設(shè)計(jì)9500字（論文）】

蘋果采摘機(jī)械設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-2"\h\z\u297041緒論 1266801.1課題研究背景及來(lái)源 120651.2國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展 1253421.3研究?jī)?nèi)容及意義 6214402機(jī)構(gòu)的總體方案設(shè)計(jì) 7107632.1機(jī)構(gòu)工作的基本原理 7260813機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 833083.1機(jī)構(gòu)的剪夾器傳動(dòng)類型選擇 810413.2機(jī)構(gòu)的剪夾器設(shè)計(jì) 897313.3機(jī)構(gòu)的手機(jī)連接無(wú)線攝像頭 1114053.4機(jī)構(gòu)的電機(jī)選擇 13176163.5機(jī)構(gòu)的開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì) 1493494結(jié)論和展望 15183184.1結(jié)論 1516414.2主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn) 15180874.3展望 1518634參考文獻(xiàn) 161緒論1.1課題研究背景及來(lái)源隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，人們的生活水平也在不斷的提高，追求健康的飲食習(xí)慣興起，水果作為一種健康的飲食正在目前的食品消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占比越來(lái)越高。種植水果漸漸成為了許多農(nóng)民發(fā)展副業(yè)的第一選擇，使得我國(guó)的水果種植面積和各類型水果的產(chǎn)量都開(kāi)始呈現(xiàn)顯著的增長(zhǎng)，水果產(chǎn)業(yè)開(kāi)始蓬勃發(fā)展。尤其是在1978年我國(guó)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)開(kāi)始調(diào)整之后，水果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展更加的迅猛，1997年，中國(guó)的水果產(chǎn)量在世界的排名竄升到第一位，在這二十年來(lái)，其產(chǎn)量也從6570000噸增到50893000噸。而這在其中，作為水果產(chǎn)業(yè)中占比頗重的蘋果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展更是令人欣喜不已，2012年，我國(guó)蘋果的栽種面積達(dá)到2300000公頃，產(chǎn)量達(dá)380000000噸，就算是在全球蘋果產(chǎn)量中的占比都已經(jīng)達(dá)到了五成，是除了我國(guó)之外的其他各國(guó)所有蘋果產(chǎn)量的總和，中國(guó)自然就成為了集蘋果的生成、出口和消費(fèi)的大國(guó)。我國(guó)的蘋果種植區(qū)目前主要有環(huán)渤海、黃土高原、黃河故道、西南冷涼高地。其中的兩大優(yōu)勢(shì)地域?yàn)椋海?）山東半島，遼東南部，河北東部的渤海沿岸地區(qū)；（2）山西北部、甘肅東部、山西南部、河南西部、河北西部的黃土高原地區(qū)。2010年，在這兩大優(yōu)勢(shì)地域里，蘋果的栽種面積和產(chǎn)量分別達(dá)到了1330000公頃，23560000噸，占全國(guó)的61.7%和70.8%。從中國(guó)果品流通協(xié)會(huì)傳來(lái)的消息，整個(gè)2021年國(guó)內(nèi)蘋果用產(chǎn)量達(dá)到了4500萬(wàn)噸，與網(wǎng)傳的4600萬(wàn)噸相差無(wú)幾，與去年的4240萬(wàn)噸相比，整整增加了260萬(wàn)噸。而從中國(guó)果品流通協(xié)會(huì)發(fā)布的權(quán)威信息來(lái)看，蘋果確實(shí)豐收了，產(chǎn)量達(dá)到4500萬(wàn)噸。我國(guó)目前的蘋果消費(fèi)市場(chǎng)的兩個(gè)主要產(chǎn)品：在蘋果消費(fèi)市場(chǎng)中占比高達(dá)九成的鮮果和占比一成的蘋果加工制品，這兩者決定了目前我國(guó)蘋果產(chǎn)業(yè)中的重中之重就是適時(shí)采摘。蘋果的收獲采摘工作作為蘋果的生產(chǎn)鏈中最費(fèi)時(shí)、最辛苦的工作，極其繁瑣并且工作量極大，不僅需要采摘工人們不斷的登高或彎腰采摘水果，并且還要在采摘的同時(shí)判斷蘋果的成熟度，是否可以采摘，并且對(duì)其進(jìn)行分級(jí)等步驟，這個(gè)環(huán)節(jié)毫不夸張地說(shuō)需要投入整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程百分之五十至百分之七十的勞動(dòng)力。自進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)的老齡化程度不斷加劇和城市化范圍不斷加大，勞動(dòng)力自農(nóng)村轉(zhuǎn)移到城市，自農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)移到工業(yè)、第三方產(chǎn)業(yè)，農(nóng)村的勞動(dòng)力人口不斷縮減，人力成本也在逐漸的上升，在這種社會(huì)城市化的大前提為背景下，蘋果收獲采摘的人力采摘這種不僅無(wú)法保證蘋果的品質(zhì)、質(zhì)量，并且效率極其低下的工作方式自然無(wú)法滿足如今的蘋果產(chǎn)業(yè)的極速發(fā)展。半自動(dòng)機(jī)械化采摘作為一種新型的科學(xué)蘋果采摘方式，不僅可以極大的提高工作效率，并且穩(wěn)定可靠，采摘質(zhì)量得到保證，也符合如今勞動(dòng)力人口的縮減和勞動(dòng)力成本逐漸上升的現(xiàn)狀。但當(dāng)前我國(guó)水果產(chǎn)業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)化水平不高，與我國(guó)蘋果產(chǎn)量占全球總產(chǎn)量一半的超高產(chǎn)量完全無(wú)法對(duì)等。所以就目前而言，研究出一款半自動(dòng)化的蘋果采摘機(jī)器對(duì)于我國(guó)推動(dòng)蘋果產(chǎn)業(yè)由人力采摘朝半自動(dòng)化采摘轉(zhuǎn)變具有重大意義?，F(xiàn)在我們的各行各業(yè)都在往機(jī)械化智能化方向發(fā)展，我們已經(jīng)推出了《中國(guó)制造2025》規(guī)劃。這規(guī)劃中，我們已經(jīng)提出了新的要求，要求在信息化發(fā)展的時(shí)代，我們需要把握機(jī)會(huì)，跟隨現(xiàn)代智能制造的主流。另外，在規(guī)劃中，努力發(fā)展工業(yè)機(jī)器人是其中的主要內(nèi)容，依靠大量廉價(jià)勞動(dòng)力，我國(guó)在國(guó)際上的地位逐漸上升，但是隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，機(jī)械逐漸取代人力，我國(guó)的人口優(yōu)勢(shì)在不斷下降。現(xiàn)在的我們需要發(fā)展高新技術(shù)，通過(guò)技術(shù)來(lái)提升價(jià)值，通過(guò)機(jī)械和智能化設(shè)備來(lái)代替人力來(lái)完成生產(chǎn)，從而降低生產(chǎn)成本并提高競(jìng)爭(zhēng)力。實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)器人也有許多人工勞動(dòng)力不具備的優(yōu)點(diǎn)，機(jī)器人擁有更高的精確度和可靠性，并且其穩(wěn)定性更好，現(xiàn)在很多高新智能機(jī)器人不光是能夠代替人力完成一些簡(jiǎn)單的生產(chǎn)內(nèi)容，很多是代替人力去完成高精密操作。1.2國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展一般人們普遍認(rèn)為，水果采摘機(jī)器人就是一種通過(guò)復(fù)雜的編程，來(lái)實(shí)現(xiàn)水果的采摘、分級(jí)、打包等收獲任務(wù)，而且還具有強(qiáng)大的感知能力的自動(dòng)化和機(jī)械化的收獲系統(tǒng)。水果采摘機(jī)器人的研究涉及的知識(shí)面極其廣泛，其中包括視覺(jué)圖像處理，導(dǎo)航技術(shù)，機(jī)械結(jié)構(gòu)，傳感器技術(shù)，動(dòng)力學(xué)，控制技術(shù)和信息處理等。1968年，美國(guó)的學(xué)者布朗和謝茨首次提出果蔬收獲用機(jī)器人技術(shù)實(shí)現(xiàn)。1983年，美國(guó)第一次制造出西紅柿采摘機(jī)器人，但是這種采摘機(jī)器人需要人工協(xié)助來(lái)完成采摘工作，所以在全自動(dòng)化方面還有待研究。從此，以美國(guó)、日本為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家，就開(kāi)始注重于投入大量的精力到果蔬收獲機(jī)器人研究上，而且之后各種果蔬采摘機(jī)器人就相繼研制出來(lái)了，如柑橘、西紅柿、黃瓜、蘋果、茄子等采摘機(jī)器人。上世紀(jì)90年代，中國(guó)也開(kāi)始了采摘機(jī)器人的研究，雖然研究起步較晚，但是在這幾年，也取得了相當(dāng)好的成績(jī)，比如江蘇大學(xué)開(kāi)發(fā)的蘋果采摘機(jī)器人，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的黃瓜采摘機(jī)器人等。從之前研究的多種果蔬采摘機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)看，采摘機(jī)器人主要由采摘機(jī)械臂、末端執(zhí)行器、移動(dòng)平臺(tái)、控制系統(tǒng)以及圖像處理系統(tǒng)等部分構(gòu)成。在臍橙采摘機(jī)器人的研究領(lǐng)域內(nèi)。北京科技大學(xué)在2020年結(jié)合國(guó)內(nèi)外的臍橙采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及國(guó)內(nèi)臍橙采摘的工作情況，提出了一種新型采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)并制造了臍橙采摘機(jī)器人樣機(jī)。除此之外，哈爾濱工業(yè)大學(xué)展開(kāi)了對(duì)臍橙采摘機(jī)器人樣機(jī)的試驗(yàn)與研究。對(duì)其視覺(jué)定位精度進(jìn)行了深入的研究，所制作的臍橙采摘機(jī)器人樣機(jī)具有較高的定位精度，并且所設(shè)計(jì)的臍橙采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)均能正常工作，馬貴飛等人在2021年基于市場(chǎng)上現(xiàn)有的臍橙采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真，進(jìn)行了一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。履帶式采摘機(jī)器人使用履帶完成機(jī)器人的移動(dòng)。履帶具有兩個(gè)自由度。完成水果采摘的機(jī)械手是由大臂、小臂及末端所組成，具有五個(gè)自由度。驅(qū)動(dòng)的電機(jī)及液壓系統(tǒng)均在機(jī)械手臂后側(cè)，該種履帶式采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)笨重，適合在較為平緩的土地上進(jìn)行使用。1.2.1國(guó)外研究進(jìn)展1993年，日本岡山大學(xué)緊隨美國(guó)的研究腳步研制出西紅柿采摘機(jī)器人。如圖1-1所示。此采摘機(jī)器人跟美國(guó)首次研究出的有所不同的是采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，其機(jī)械臂是更復(fù)雜的七自由度機(jī)械臂。此采摘機(jī)器人采用彩色CCD攝像機(jī)作為視覺(jué)傳感器可以準(zhǔn)確感知果實(shí)成熟度，而且可以通過(guò)雙目視覺(jué)進(jìn)行準(zhǔn)確的果實(shí)定位，準(zhǔn)確地判斷果實(shí)是否在可抓取范圍之內(nèi)，然后再利用末端執(zhí)行器將果實(shí)固定，再運(yùn)用腕關(guān)節(jié)擰下。此采摘機(jī)器人從完成識(shí)別到采摘所需時(shí)間僅大約為15s/個(gè)，并且成功率在75%左右。此采摘機(jī)器人主要存在的問(wèn)題有：一方面，不能識(shí)別到枝葉茂密后方的西紅柿，另一方面，機(jī)械臂對(duì)被遮擋的果實(shí)也難以采摘。圖1-1西紅柿采摘機(jī)器人1995年，日本研究進(jìn)度迅速，很快就研制出一種葡萄采摘機(jī)器人，該采摘機(jī)器人主要適用于果園棚架。此采摘機(jī)器人采用的是五自由度的機(jī)械手，可以保證末端執(zhí)行器可傾斜，執(zhí)行器可傾斜靠近葡萄架，以此減少漏摘現(xiàn)象。而末端執(zhí)行器則由剪刀和仿真手指組成，采摘時(shí)，首先手指會(huì)先抓住果實(shí)，然后剪刀再剪斷莖脈。此采摘機(jī)器人還采用PSD三維視覺(jué)傳感器，這種傳感器可以捕捉并定位已經(jīng)達(dá)到設(shè)定的收獲采摘標(biāo)準(zhǔn)的果實(shí)具體空間位置信息。除此之外還開(kāi)發(fā)了很多種末端執(zhí)行器，以此滿足葡萄在不同生長(zhǎng)階段的需求，如施肥、套袋等中期作業(yè)。與其他采摘機(jī)器人不同的是機(jī)器人不但在一年內(nèi)使用的時(shí)間延長(zhǎng)了，而且還減少了空置時(shí)間，以此提高了效率。圖1-2葡萄采摘機(jī)器人如圖1-2所示，此采摘機(jī)器人的機(jī)械臂是有基于極坐標(biāo)的5自由度采摘機(jī)械臂，其中包含1個(gè)直動(dòng)關(guān)節(jié)和4個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，這種結(jié)構(gòu)可以有效確保末端執(zhí)行器水平或垂直地靠近葡萄架。此采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器是由切斷莖脈的剪刀和仿真手指組成，并且設(shè)計(jì)有多套末端執(zhí)行器來(lái)適應(yīng)在不同的階段，主要用于噴霧、剪枝和葡萄架的套袋作業(yè)，有效地提高了設(shè)備的綜合利用率。其主要存在缺點(diǎn)：首先是采摘對(duì)象有很多的限制，然后就是復(fù)雜的多自由度的機(jī)械臂直接導(dǎo)致控制的繁瑣。1996年，荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所不負(fù)荷蘭政府多年經(jīng)濟(jì)投入，研制出了黃瓜采摘機(jī)器人，如圖1-3所示。該機(jī)器人采用三菱公司6自由度的RVE2型機(jī)械手和安裝了一個(gè)有一個(gè)線性滑動(dòng)自由度底座上，所以此采摘機(jī)器人具有7個(gè)自由度，此設(shè)計(jì)雖然操作復(fù)雜，但是可以有效增大機(jī)器人的作業(yè)空間。而在末端執(zhí)行器這個(gè)方面，采用了電極切割代替?zhèn)鹘y(tǒng)的刀片，以此保證了果實(shí)水分的減少流失。而且還采用了近紅外視覺(jué)系統(tǒng)來(lái)辨識(shí)黃瓜果實(shí)是否承受并且進(jìn)行果實(shí)準(zhǔn)確定位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示機(jī)器人采摘一根成熟黃瓜大約耗時(shí)10s，比較遺憾的是由于其較低的利用率和昂貴的制造成本很難實(shí)現(xiàn)商品化。圖1-3黃瓜采摘機(jī)器人20世紀(jì)末英國(guó)silsoe研究院成功研制出了用于蘑菇采摘的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，如圖1-4所示。采摘機(jī)械臂是由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和兩個(gè)氣動(dòng)式移動(dòng)關(guān)節(jié)組成的三自由度機(jī)械臂。其末端執(zhí)行器上精巧地設(shè)置有軟村墊和吸引設(shè)備以此防止果實(shí)的損傷。采用TV攝像頭作為定位和果實(shí)識(shí)別的視覺(jué)傳感器。此采摘機(jī)器人采摘一個(gè)蘑菇平均耗時(shí)6.7s，采摘成功率在75%左右，機(jī)械結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，成本較低，但同時(shí)也存在一些問(wèn)題：采摘生長(zhǎng)傾斜的蘑菇存在很大的困難。如何采用多個(gè)末端執(zhí)行器提高生產(chǎn)率以及嘗試改進(jìn)圖像處理算法以此更好地調(diào)整末端執(zhí)行器位姿動(dòng)作來(lái)提高采摘成功率是亟待解決的問(wèn)題。圖1-4蘑菇采摘機(jī)器人日本、法國(guó)和比利時(shí)等國(guó)家曾經(jīng)都對(duì)蘋果采摘機(jī)器人都進(jìn)行過(guò)深入研究。比利時(shí)的JohanBaeten和KevinBoedrij等人研制的蘋果采摘機(jī)器人如圖1-5所示，此機(jī)器人的采摘機(jī)械臂采用的機(jī)械臂是6自由度的工業(yè)機(jī)械臂，為了增大采摘范圍，還把機(jī)械臂安裝在可水平和豎直移動(dòng)的架子上。一臺(tái)拖拉機(jī)牽引整個(gè)采摘機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)，因而機(jī)器人整體占地面積顯得比較大，同時(shí)也反映出機(jī)械本體成本較昂貴和靈活度較低。圖1-5蘋果采摘機(jī)器人法國(guó)國(guó)立農(nóng)林機(jī)械研究所研制出了MAGAL蘋果采摘機(jī)器人。其機(jī)械臂采用中空結(jié)構(gòu)以便于果實(shí)的收集。采用CCD攝像機(jī)和光電傳感器用于果實(shí)識(shí)別和果實(shí)定位。韓國(guó)的Jang等人也進(jìn)行了蘋果采摘機(jī)器人的研究，設(shè)計(jì)的采摘機(jī)械臂由1個(gè)移動(dòng)關(guān)節(jié)和3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，各關(guān)節(jié)都由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。采用CCD彩色攝像機(jī)用于果實(shí)識(shí)別和果實(shí)定位，但此機(jī)器人大多數(shù)情況下無(wú)法采摘障礙物后的蘋果。2020年日本公司設(shè)計(jì)制造了一款草莓采摘機(jī)器人，這個(gè)機(jī)器人與美國(guó)不一樣的地方在于它的工作時(shí)間在12到22小時(shí)左右，可以在無(wú)人工的情況下完成草莓采摘的任務(wù)。白天晚上都可以工作，大大增加了農(nóng)民的收益。除此之外還研究出了一種甘藍(lán)采摘機(jī)器人。截止到2022年。國(guó)際市場(chǎng)上對(duì)于采摘機(jī)器人研究最詳細(xì)的國(guó)家是美國(guó)，其所生產(chǎn)的蘋果采摘機(jī)器人采用了國(guó)際上最先進(jìn)的技術(shù)。蘋果采摘機(jī)器人的工作原理與家用電器吸塵器相似。這種形式的蘋果采摘機(jī)器人是通過(guò)視覺(jué)模擬來(lái)對(duì)成熟的蘋果進(jìn)行識(shí)別，然后通過(guò)氣壓將內(nèi)部變?yōu)檎婵?，從而達(dá)到蘋果摘取的目的，這種蘋果采摘機(jī)器人具有較高的采摘效率，但是其所采摘的蘋果很容易在采摘過(guò)程中發(fā)生損傷。1.2.2國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展我國(guó)東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民成功地試驗(yàn)了林木球果采摘機(jī)器人，如圖1-6所示。由于球果生長(zhǎng)位置的特殊性，設(shè)計(jì)的采摘機(jī)械臂也跟普通的采摘機(jī)器人有所不同，機(jī)械臂的伸長(zhǎng)距離能達(dá)到6m，因此跟人工采摘比大大提高了采摘效率，約為人工采摘的30-50倍。為了龐大的機(jī)械本體方便行走，移動(dòng)平臺(tái)采用液壓驅(qū)動(dòng)的履帶式行走機(jī)構(gòu)。主要存在的缺點(diǎn)：移動(dòng)采用人工控制使其自動(dòng)化程度較低、體積龐大導(dǎo)致系統(tǒng)能耗高。圖1-6林木球果采摘機(jī)器人我國(guó)南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的顧寶興、姬長(zhǎng)英等人研制了蘋果采摘機(jī)器人，如圖1-7所示。采摘機(jī)械臂采用的是德國(guó)MOTONMAN工業(yè)機(jī)械臂，此機(jī)械臂可以擬合空間內(nèi)的任意曲線，采摘范圍比較大。視覺(jué)系統(tǒng)采用單雙目攝像機(jī)以此識(shí)別果實(shí)，DGPS安裝在履帶式移動(dòng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航，控制系統(tǒng)則采用基于上下位機(jī)的分布式控制方案。設(shè)計(jì)的蘋果采摘機(jī)器人在徐州成功地進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并且采摘成功率在80%以上。其主要存在的問(wèn)題：除了采用的工業(yè)機(jī)械臂不能承受較大的末端負(fù)載，還有各下位機(jī)采用獨(dú)立的控制器大大增加經(jīng)濟(jì)成本；。圖1-7蘋果采摘機(jī)器人我國(guó)的中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的張凱良、張鐵中等人研制出了高架草莓采摘機(jī)器人，此采摘機(jī)器人采用三自由度直角坐標(biāo)機(jī)械手用于其精密運(yùn)動(dòng)定位機(jī)構(gòu)，能對(duì)草莓進(jìn)行精確的定位；中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)的紀(jì)超、李偉等人設(shè)計(jì)出了溫室黃瓜采摘機(jī)器人，機(jī)器人機(jī)械臂采用4自由度緊湊型關(guān)節(jié)機(jī)械臂，單根黃瓜采摘耗時(shí)28.6s；華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的鄒湘軍等人開(kāi)發(fā)了多類型水果采摘機(jī)器人，用于荔枝、柑橘等多種水果的采摘，大大提高了設(shè)備綜合利用率。1.3研究?jī)?nèi)容及意義我國(guó)是世界第一大蘋果消費(fèi)國(guó)，也是世界第一大蘋果生產(chǎn)國(guó)。近年來(lái)蘋果種植業(yè)的膨脹發(fā)展大幅度提升了果園機(jī)械猛烈的市場(chǎng)需求。采用采摘機(jī)械則可以很大程度上的避免人工采摘的諸多弊端，高效率、低成本、采摘的穩(wěn)定性以及可以隨時(shí)使用、不需要像人力采摘一樣還要擔(dān)心勞動(dòng)力缺失問(wèn)題，這種種好處都是直接或者間接的提高了果農(nóng)們的經(jīng)濟(jì)效益，所以就目前來(lái)說(shuō)提高蘋果采摘作業(yè)機(jī)械化程度毫無(wú)疑問(wèn)是有極其重要的意義。蘋果采摘機(jī)械在果園規(guī)?；l(fā)展和規(guī)范化管理的地區(qū)應(yīng)用更能突顯其顯著特點(diǎn)。用機(jī)械代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力操作完成蘋果采摘作業(yè)，既能減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高功效，還可降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)又能搶農(nóng)時(shí)，減少損失，為果樹(shù)生長(zhǎng)發(fā)育創(chuàng)造良好環(huán)境，促進(jìn)果品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)?；趪?guó)內(nèi)外大量的研究文獻(xiàn)，機(jī)器人或者機(jī)械臂結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制繁多而且設(shè)備繁多，設(shè)備維護(hù)比較麻煩，最主要的問(wèn)題是經(jīng)濟(jì)成本太高，所以本課題設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)構(gòu)具有簡(jiǎn)單、成本低、符合大眾的特點(diǎn)。2機(jī)構(gòu)的總體方案設(shè)計(jì)2.1機(jī)構(gòu)工作的基本原理本文要實(shí)現(xiàn)的是半自動(dòng)化采摘蘋果，又要遵循機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制簡(jiǎn)單，成本低廉的原則，所以本文利用了最基本的平面四桿機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和凸輪鎖止機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制剪夾器循環(huán)執(zhí)行剪夾的動(dòng)作，而電機(jī)可以用開(kāi)關(guān)控制，還要實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化的是滑動(dòng)部分，同樣也是用很簡(jiǎn)單的電機(jī)控制滑動(dòng)，加上其他人性化的設(shè)計(jì)，比如手機(jī)監(jiān)控，都是符合本文的初衷的。2.2機(jī)構(gòu)的工作流程圖2-1流程圖首先手機(jī)先連接無(wú)線攝像頭，在獲得監(jiān)控畫面后，監(jiān)控剪夾器的情況，控制滑塊讓剪夾器滑動(dòng)到要剪夾的蘋果上方，對(duì)準(zhǔn)蘋果枝之后啟動(dòng)剪夾器開(kāi)關(guān)夾住蘋果，夾住之后通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)控制剪刀剪斷蘋果柄，然后關(guān)閉剪夾器開(kāi)關(guān)并保持剪夾器夾具保持夾緊，這時(shí)候控制剪夾器滑動(dòng)到合適位置，打開(kāi)剪夾器夾具，便于手可以拿下，收獲蘋果，以此循環(huán)。3機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1機(jī)構(gòu)的剪夾器傳動(dòng)類型選擇本文剪夾器的傳動(dòng)方式選擇了曲柄搖桿機(jī)構(gòu)以及凸輪鎖止機(jī)構(gòu)，曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是由一個(gè)曲柄和一個(gè)搖桿組成的鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)。本文采用的凸輪鎖止機(jī)構(gòu)是由一個(gè)帶有曲線輪廓的盤型凸輪、一個(gè)往復(fù)擺動(dòng)的擺動(dòng)推桿和一個(gè)鎖止的盤型凸輪機(jī)構(gòu)組成的。通常來(lái)說(shuō)，曲柄作為主動(dòng)件且等速轉(zhuǎn)動(dòng)，而搖桿則作為從動(dòng)件做變速往返擺動(dòng)，連桿做平面復(fù)合運(yùn)動(dòng)。當(dāng)然曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中也有把搖桿作為主動(dòng)件，把搖桿的往復(fù)擺動(dòng)轉(zhuǎn)換成曲柄的轉(zhuǎn)動(dòng)。曲柄搖桿機(jī)構(gòu)是四桿機(jī)構(gòu)最基本的形式。曲柄搖桿的優(yōu)點(diǎn)是制作方便簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，符合本文的初衷，但是也有一定的缺點(diǎn)，比如占用空間大，容易損壞等等。在凸輪機(jī)構(gòu)中，凸輪通常為主動(dòng)件做等速轉(zhuǎn)動(dòng)，但也有做往復(fù)擺動(dòng)或移動(dòng)的，凸輪機(jī)構(gòu)當(dāng)中最大的優(yōu)點(diǎn)是適宜地設(shè)計(jì)出凸輪的輪廓曲線，不但可以使推桿進(jìn)行預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而且響應(yīng)特別快速，機(jī)構(gòu)也簡(jiǎn)單緊湊。在凸輪機(jī)構(gòu)中，特別是在自動(dòng)機(jī)和自動(dòng)控制裝置方面有著廣泛的應(yīng)用。3.2機(jī)構(gòu)的剪夾器設(shè)計(jì)本文采用了通過(guò)設(shè)計(jì)剪夾器機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)邊剪邊夾的功能。“剪”和“夾”需由不同的機(jī)構(gòu)來(lái)完成，所以剪夾器至少需要兩部分組成，初步擬定由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來(lái)完成剪的過(guò)程；由凸輪鎖止機(jī)構(gòu)完成夾的過(guò)程。3.2.1剪夾器工作過(guò)程分析表3.1剪夾器工作過(guò)程凸輪鎖止機(jī)構(gòu)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)剪夾器到達(dá)蘋果上方無(wú)動(dòng)作無(wú)動(dòng)作剪夾器夾住蘋果夾住并保持無(wú)動(dòng)作剪夾器剪下蘋果夾住并保持工作端合并完成剪切關(guān)閉剪夾器開(kāi)關(guān)夾住并保持，凸輪回到原來(lái)位置停止工作，曲柄回到原來(lái)位置剪夾器滑到指定位置夾住并保持無(wú)動(dòng)作取下蘋果鎖止打開(kāi)無(wú)動(dòng)作3.2.2剪夾器設(shè)計(jì)原理通過(guò)對(duì)剪夾器工作過(guò)程的分析，我們本著簡(jiǎn)單易操作，節(jié)約產(chǎn)品成本的初衷，采用凸輪鎖止結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)“夾”的過(guò)程，采用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)“剪”的過(guò)程，且剪夾有需要設(shè)計(jì)先后順序?，F(xiàn)設(shè)計(jì)原理圖如下:圖3.1凸輪鎖止的設(shè)計(jì)原理剪夾的先后順序通過(guò)曲柄與凸輪的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，即凸輪在前，曲柄在后，前后位置相差。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)后，凸輪先觸發(fā)鎖止機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)夾緊，曲柄隨后到達(dá)剪切位置剪切。凸輪鎖止結(jié)構(gòu)中，由于只考慮機(jī)械原理的設(shè)計(jì)，所以凸輪的遠(yuǎn)休止過(guò)程需使連桿達(dá)到鎖止位置，從而鎖止，現(xiàn)去蘋果的直徑為，故凸輪最大半徑應(yīng)為。3.2.3曲柄搖桿的設(shè)計(jì)曲柄搖桿只負(fù)責(zé)剪的過(guò)程?，F(xiàn)對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)定義如下：圖3.2四桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理現(xiàn)用解析法設(shè)計(jì)四桿機(jī)構(gòu)有：則可得現(xiàn)找到曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的兩個(gè)極限位置，即剪切完畢時(shí)剪刀閉合，此時(shí)，，。另一個(gè)位置為剪刀張角最大時(shí)，張角最大為，此時(shí)，，。分別帶入兩方程可得 本著滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，盡量使其輕便易操作，可設(shè)計(jì)，?？捎?jì)算出3.2,4原位置返回設(shè)計(jì)剪夾器工作完畢后，凸輪鎖止機(jī)構(gòu)中的凸輪以及曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中的搖桿都需回到原來(lái)的初始位置，這樣才能重復(fù)的進(jìn)行下次工作，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)工作。圖3.3原位置返回的設(shè)計(jì)本文采用控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出角度位置復(fù)位來(lái)控制剪夾器凸輪鎖止機(jī)構(gòu)中凸輪和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中曲柄的位置復(fù)位。在驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路中串聯(lián)銅環(huán)，銅環(huán)裝在輸出軸上。銅環(huán)由大小兩部分組成，其中面積較大的一片4與電機(jī)外殼連接而搭鐵。觸點(diǎn)臂用磷銅片制成（有彈性），其一端分別鉚有觸點(diǎn)1、2與銅環(huán)3、4接觸。圖3.4復(fù)位設(shè)計(jì)當(dāng)電源開(kāi)關(guān)打到開(kāi)檔，電流從蓄電池正極→驅(qū)動(dòng)電機(jī)正極→驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)極→開(kāi)關(guān)接線柱b端→接觸片→開(kāi)關(guān)接線柱c端→蓄電池負(fù)極，形成回路，電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。電電源開(kāi)關(guān)打到關(guān)檔，如果輸出軸沒(méi)有回到原來(lái)位置，由于觸點(diǎn)2和銅環(huán)4接觸，則電流流進(jìn)電機(jī)電樞。此時(shí)電流從蓄電池正極→電機(jī)正極→電機(jī)負(fù)極→開(kāi)關(guān)接線柱b端→開(kāi)關(guān)接線柱a端→接觸臂觸點(diǎn)2→銅環(huán)4→搭鐵→蓄電池負(fù)極，形成回路，電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)，直至凸輪鎖止機(jī)構(gòu)推桿和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄如圖所示的特定位置。觸點(diǎn)1和觸點(diǎn)3通過(guò)銅環(huán)3接觸，由于電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的慣性，電動(dòng)機(jī)不能立即停下，電動(dòng)機(jī)以發(fā)電機(jī)的方式運(yùn)行而發(fā)電。因?yàn)殡姌欣@組所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)的方向與外加電壓的方向相反，所以電流從電機(jī)正極→接觸臂觸點(diǎn)1→銅環(huán)3→接觸臂觸點(diǎn)2→開(kāi)關(guān)接線柱a→開(kāi)關(guān)接線柱b→電機(jī)負(fù)極，形成回路，產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)迅速停止制動(dòng)，使凸輪鎖止機(jī)構(gòu)推桿和曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄回到初始位置。3.3機(jī)構(gòu)的手機(jī)連接無(wú)線攝像頭本文采用小蟻無(wú)線攝像頭，可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)連接無(wú)線攝像頭從而可以監(jiān)控采摘情況，具體操作步驟如下：1、開(kāi)啟無(wú)線攝像頭，第一次使用黃燈會(huì)閃爍。圖3.5小蟻無(wú)線攝像頭2、下載安裝小蟻攝像機(jī)專用APP。圖3.6小蟻攝像頭的APP3、使用賬號(hào)登錄APP，然后點(diǎn)右上角的"+",添加攝像頭。圖3.7APP的操作4、按軟件提示設(shè)置。圖3.8攝像頭的設(shè)置5、添加完成后，就可以在APP里面實(shí)際監(jiān)控畫圖。圖3.9監(jiān)控頁(yè)面圖3.10采摘畫面3.4機(jī)構(gòu)的電機(jī)選擇本機(jī)構(gòu)使用兩個(gè)電機(jī)，一個(gè)為帶動(dòng)剪夾器在滑軌上滑動(dòng)的負(fù)載電機(jī)，一個(gè)為驅(qū)動(dòng)剪夾器工作的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。3.4.1負(fù)載電機(jī)選型 剪夾器與滑軌應(yīng)用以鋁合金為主的材料，可計(jì)算得出剪夾器的質(zhì)量，其中可取剪夾器上升的外力、滑軌的滑動(dòng)摩擦系數(shù)、工作時(shí)滑軌與水平面所成的角度為。則可由公式計(jì)算可得需要提供給剪夾器的牽引力為?？扇‰姍C(jī)的機(jī)械傳動(dòng)效率為，滑軌終端滑輪直徑。則可根據(jù)公式 計(jì)算可得電機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為。可取安全率，則可求的必要轉(zhuǎn)矩為則可選電機(jī)型號(hào)為ZWMD012012-4。3.4.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要驅(qū)動(dòng)凸輪鎖止機(jī)構(gòu)與曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，其中曲柄搖桿機(jī)構(gòu)剪切蘋果柄，使用較鋒利的剪刀，可使剪切力較小，可忽略不計(jì)。而凸輪所致機(jī)構(gòu)主要用于夾取蘋果，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)操作桿到達(dá)鎖止位置，所需要的力較小。故驅(qū)動(dòng)電機(jī)可選取12V小功率電機(jī)即可。3.5機(jī)構(gòu)的開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)負(fù)載電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)Ⅱ負(fù)載電機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)ⅡⅠⅢ圖3.10開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)本文主要采用通過(guò)不同開(kāi)關(guān)控制不同電機(jī)工作。其中負(fù)載電機(jī)是通過(guò)改變電流的方向，改變電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而改變剪夾器沿滑軌的前后運(yùn)動(dòng)。，負(fù)載開(kāi)關(guān)有三個(gè)檔位，其中當(dāng)搖柄處于Ⅱ位置時(shí)為空擋，即負(fù)載電機(jī)處于斷路狀態(tài)，電機(jī)不工作。當(dāng)搖柄打到Ⅰ位置時(shí)開(kāi)關(guān)與，與連接。此時(shí)電流從電池正極→開(kāi)關(guān)接線柱→開(kāi)關(guān)接線柱→電機(jī)正極→電機(jī)負(fù)極→開(kāi)關(guān)接線柱→開(kāi)關(guān)接線柱→搭鐵→電池負(fù)極，形成回路，電機(jī)正向連接，電機(jī)正轉(zhuǎn)，從而剪夾器向遠(yuǎn)處滑動(dòng)到指定位置。此時(shí)可關(guān)閉負(fù)載電機(jī)開(kāi)關(guān)，打開(kāi)驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)關(guān)使剪夾器實(shí)現(xiàn)剪夾的過(guò)程。剪夾過(guò)程完畢后可關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電機(jī)開(kāi)關(guān)，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止工作，剪夾器凸輪以及曲柄均回到初始位置，而凸輪鎖止機(jī)構(gòu)的連接桿保持夾住動(dòng)作。當(dāng)負(fù)載電機(jī)開(kāi)關(guān)搖柄打到Ⅲ檔位置，負(fù)載開(kāi)關(guān)與，與連接。此時(shí)電流從電池正極→開(kāi)關(guān)接線柱→開(kāi)關(guān)接線柱→電機(jī)負(fù)極→電機(jī)正極→開(kāi)關(guān)接線柱→開(kāi)關(guān)接線柱→搭鐵→電池負(fù)極，形成回路，電機(jī)反向連接，電機(jī)反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)剪夾器從遠(yuǎn)處向近處滑動(dòng)，滑動(dòng)到指定位置可使負(fù)載電機(jī)開(kāi)關(guān)搖柄打回Ⅱ檔位置，負(fù)載電機(jī)停止工作，此時(shí)可打開(kāi)鎖止，凸輪鎖止機(jī)構(gòu)連接桿恢復(fù)到原位置。此時(shí)可取下蘋果。開(kāi)關(guān)的總體設(shè)計(jì)原理圖如下圖3.11開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)原理4結(jié)論和展望4.1結(jié)論本文主要工作如下、本對(duì)剪夾器中剪得機(jī)構(gòu)和夾得機(jī)構(gòu)分別設(shè)計(jì)并計(jì)算。利用曲柄四桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)剪得過(guò)程，利用凸輪鎖止機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾得過(guò)程，并進(jìn)行尺寸計(jì)算。符合簡(jiǎn)單、輕便的設(shè)計(jì)初