畢業(yè)答辯-柑橘采摘機器人結構設計

2答辯目錄1、課題來源與意義5、課題成果4、詳細設計計算2、課題技術路線6、參考文獻3、設計方案論證3課題來源與意義中國作為一個發(fā)展中國家，又是一個農(nóng)業(yè)大國，要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化，必須實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械化。伴隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和科技的飛速發(fā)展，知識經(jīng)濟也隨之而起，伴隨著發(fā)展的潮流，農(nóng)業(yè)機械化面臨著各種各樣的機遇和挑戰(zhàn)。現(xiàn)在，隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展，機械化的應用范圍也日益擴大，從播種到收割，再到進一步的加工，機械化程度都在增加。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的全過程中，由于多種外部條件的制約，如國內部分山區(qū)，由于缺乏高機械化的機械設備，很難在短時間內實現(xiàn)機械化，所以只能采取手工操作；另外，由于我國的貧富差距，造成了機械化發(fā)展的資源分配不均衡，有些地方的農(nóng)機具比較好，有些地方?jīng)]有足夠的資金，沒有足夠的設備，就得靠人力。根據(jù)統(tǒng)計，中國的電力和輔助設備的比重是2:3，遠遠低于發(fā)達國家，而且農(nóng)用設備的利用率也很低。隨著科技的飛速發(fā)展，一個現(xiàn)代化的機械時代已經(jīng)來臨，農(nóng)業(yè)機械化已經(jīng)成為當今農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要任務之一。如果說水稻和蔬菜是我國第一和第二大的農(nóng)作物，那么，水果就是我國的第三大農(nóng)作物。但是，由于我國目前的果蔬生產(chǎn)機械化程度還不高，加之人口老齡化問題日益突出，因此，加強對果蔬采收機械化的研究，對于今后的農(nóng)業(yè)發(fā)展將會有很大的實際意義。3課題技術路線它的首要工作是采集柑橘。一臺完整的柑橘采集機器人，主要包括兩大塊，一塊是采集柑橘的采集臂，一塊是承載著采收部件的步行機械。各部分由機械、動力驅動、控制、檢測、傳感、執(zhí)行機構等五大部分構成。主要研究內容如下：(1)對我國目前的柑橘種植區(qū)進行了環(huán)境特征調查，統(tǒng)計了果樹的栽植密度，了解了果樹上的大體分布特征，并參考了有關的物理參數(shù)，為今后的系統(tǒng)結構設計打下了一定的基礎。(2)對柑橘栽培區(qū)域的環(huán)境特征進行調查，明確其在實際應用中的特殊需求，合理地選取其功率分配，并最終確定其結構型式，為其總體外形的設計奠定基礎。(3)在考慮到果柄的有關物理性質的基礎上，確定了末端執(zhí)行器的剪力形式，并最終完成了整個系統(tǒng)的結構設計。(4)利用軟件進行運動模擬，評價機器人的機械手臂和終端執(zhí)行器的穩(wěn)定性。(5)對機械手的受力進行了分析，對剪刀進行了有限元分析，并在此基礎上對剪刀的結構進行了優(yōu)化，并對刀刃的選擇和果柄硬度的關系進行了研究，最后得出了剪裁機構的設計方案。3設計方案論證

一臺完整的柑橘采集機器人，主要包括兩大塊，一塊是采集柑橘的采集臂，一塊是承載著采收部件的步行機械。兩大組成部分均由五個小部分構成，各個部分的功能如下：機械部分其中，機械部件是支撐整個系統(tǒng)的機械結構，其機械結構的好壞，直接影響著柑橘采收機器人的運動與控制。動力驅動部分為整個系統(tǒng)的控制和執(zhí)行提供能源動力。

控制部分通過對柑橘果實的采集和各傳感器的反饋信息進行分析和處理，從而實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制。檢測傳感部分保證系統(tǒng)的識別和定位的準確性以及對障礙物的感知能力和保護能力。采用傳感器，獲取目標柑橘的位置信息。執(zhí)行機構通過對柑橘果實的夾持以及對果梗的切割，盡量做到不損傷并且能成功采摘柑橘?？傮w方案圖3設計方案論證一、根據(jù)柑橘采摘機器人需要完成的任務要求設計采摘臂部分的控制系統(tǒng)結構柑橘采摘機器人采摘臂的控制系統(tǒng)結構框圖二、綜合分析直角坐標機械臂、圓柱坐標機械臂、關節(jié)型機械臂的三個方案，關節(jié)型機械臂動作較為靈活、工作空間大并且具有擬人的結構，可以在復雜的環(huán)境下工作，滿足柑橘采摘的工作環(huán)境要求。因此選取方案三關節(jié)型機械臂作為最終方案。直角坐標機械臂圓柱坐標機械臂關節(jié)型機械臂3設計方案論證三、目前國內外的柑橘采收機器人主要采用的是輪式和履帶式兩種步行模式。輪式的步行模式分為三輪和四輪，運行平穩(wěn)，易于控制，但與地面摩擦小，容易打滑，不穩(wěn)定，在果園里行走時容易發(fā)生顛簸。履帶式行走是將履帶繞在輪子上，將輪子與地面分離，增加摩擦，通過能力強，附著能力強，能夠在狹窄的空間內原地轉向，對路面環(huán)境的適應性強，能夠在崎嶇不平的路面上行駛根據(jù)行走機構的任務要求，畫出行走機構的結構框圖。行走機構的結構框圖履帶式行走機構如下圖所示，它主要具有轉向和移動兩個功能。下圖是履帶式行走機構的轉向原理示意圖，電機和驅動輪驅動安裝在行走機構的兩側的履帶上，O點是行走機構轉向時的圓心，B是履帶行走機構的寬度，當兩側的驅動輪和電機的線速度不相同時，兩個驅動輪因為行走機構的寬度產(chǎn)生了差速移動，從而實現(xiàn)轉向的功能。履帶式行走機構轉向示意圖3設計方案論證四、末端執(zhí)行器的確定通過查閱資料，最終使用圓筒形末端執(zhí)行機構，該機構由鋸齒式攏果器、切割刀片、接果器、位置傳感器組成，通過對機械手的移動進行控制，將柑橘送入齒狀攏果器，在末端執(zhí)行機構內的位置傳感器探測到所摘的柑桔全部進入接果器后，機械手就會停止動作，這時，控制刀片與鋸齒攏果器嚙合，切斷果梗，然后將柑橘送入果筒，完成一次采摘。該收果筒與收果盒之間由一軟袋相連，其內部設有減震裝置，可有效地防止柑桔的損壞，方便后續(xù)的貯藏和運輸。設計了如圖3－3所示的筒狀末端執(zhí)行器，圖中的末端執(zhí)行器主要由接果器、齒狀攏果器、收果筒、位置傳感器、刀片、刀片齒輪、攏果器齒輪和同步帶輪等部分組成。筒狀末端執(zhí)行器結構簡圖3詳細設計計算帶輪的設計：同步帶輪由步進電機驅動旋轉，并帶動從動帶輪旋轉。主要是對帶輪的選擇。根據(jù)已知的條件，設定主動輪的參數(shù)：P=20w；傳動比i=2；傳動中心距160mm；轉速n=500r/min。同步帶的設計功率為：同步帶的型號和節(jié)距根據(jù)設計功率24W和轉速n=500r/min，查的機械手冊可知：選擇帶的型號為3M型，小帶輪的齒數(shù)，由小帶輪的轉速n=500r/min，以及帶的型號為3M型，查的機械手冊選擇的小齒輪的齒數(shù)：Z1=10,大帶輪的齒數(shù)：Z2=i*Z1=2*10=20帶輪節(jié)圓的直徑D，小帶輪的節(jié)圓直徑:大帶輪的節(jié)圓直徑：計算帶速V：可以得到:72.7mm≤a0≤155.5mm最終確定實際的中心距為155mm3課題成果本次設計以柑橘為研究對象，設計了一種能自由伸縮的多角度采收機器人，并設計了一種具有剪刀的末端執(zhí)行器，并對其進行了一系列的受力分析，最終確定了該機器人的最優(yōu)結構。通過對該系統(tǒng)的運動模擬和分析，得出了該系統(tǒng)的實用效果。通過對設計方案的論證，完成了如下工作：1、對柑橘采摘過程中的各種特征進行了分析，對其動力驅動方式、末端執(zhí)行機構以及采集臂的構造方式進行了分析，對其進行了總體設計，并對其各個部件進行了合理的設計。2、從分析結果可知：本設計的收獲機具有機械手伸縮功能，能夠基本覆蓋果樹上柑橘的分布范圍；機械手的機械臂及端部執(zhí)行器設計合理，機械手工作平穩(wěn)，整體設計符合要求。3、采用有限元方法對機械臂的總體結構及剪刀的受力狀況進行了分析，并根據(jù)機械臂末端執(zhí)行器采集精度的要求，對其進行了優(yōu)化；從果柄硬度、刀具選材等方面對機械臂的剪切機理進行了優(yōu)選。本次設計針對采集作業(yè)環(huán)境及采集對象的物理特征，研制出一種能上下伸縮的機械手及剪力式末端執(zhí)行器的采收機器人，在采收時能極大地減少果實的傷害，具有廣泛的采收應用和良好的采收效果。采用這種機械臂，可以有效地改善柑橘的采收品質，減少采收工人的勞動強度，增加采收費用，增加市場競爭力。該設計方案對其它果蔬采收機械的研制和研發(fā)具有一定的參考價值。3課題成果3參考文獻參考文獻[1]

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