毕业设计（论文）-柑橘采摘机器人的结构设计.docx

柑橘采摘机器人的结构设计摘要果实采摘是农业生产中的个重要环节，需要大量的采摘人员，但由于农村人口城市化.农业从事人m的数量不断下降，人力成本不断上升，国内外都己经研发了许多的采摘机器人来解决这一问题。本课题设计的采摘机器人主要是针对柑橘树之类的果树，对采摘机器人的机械臂和末端执行器的结构进行设计。首先确定了机器将的类型和设计的总体方案，再对机器人各部分进行受力分析计算，选择适合的电机和减速器，设让相关传动釉并进行校核，设计了相关的传动结构。根据电机和减速涔的连接和固定，设计了机械臂的腕部、再部和底座结构。关键伺：柑橘采摘；结构设计；农业机器人StructuredesignofcitruspickingrobotABSTRACTThef11itpickingisanimportantpartofagricu1.tura1.prduc1.ion,itneedsa1.argenumberofworkers.However,duetotheurbanizationoftherura1.popu1.ation,workersofthefruitpickingiscontinuous1.ydec1.iningandthe1.aborcostisconstant1.yrising.Differentkindsofpickingrobotshavebeendesignedtoso1.vethisprob1.ema1.1.aroundthewor1.d.Thepickingrobotsdeve1.opedinthisprojectisaimedatpickingcitrustreesa1.ikesothatthedesignofstructuresofthemechanica1.amiandendeffectorofthepickingrobotisofgreatsignificanceinthisproject.First,dctcrmingthetypeoftherobotarmandtheovera1.1.designoftheroboi.Then,perfo11ningtheforceana1.ysisandca1.cu1.ationofeachpartoftherobotandse1.ectingappropriatemotorandrcduccr.dcsigningandcheckingthere1.evanttransmissionshaft,re1.evanttransmissionstructureisdeve1.opedaswe1.1.?tthesametime,accordingtotheconnectionandfixationofthemotorandreducer,thea11n.andbasestructureofthea11naredesigned.Keywords：Citruspicking;Structuredesign;Agricu1.tura1.robot目录1绪论11.I研究的目的及意义11.2国内外采摘机器人的研究现状21.3机械将与末端执行器的现状61.4本课题主要设计内容71.5本章小结72总体方案设计82.1引言82.2柑橘采摘机器人的技术要求82.3机胧人的构型选择82.4总体方案的选定102.5机械臂的传动原理112.6本章小结133.末执行的设计141. 1切割电机的选择143. 2气缸的选择154. 3末端执行器的结构设计155. 4本章小结164腕部的结构设计171 .1腕部机构设计的要求174 .2腕部旋转关节的结构设计174.1.1 旋转关节驱动电机的选择174.1.2 腕部旋转关节的结构设计184. 3腕部偏仰关节的结构设计194.1 .1俯仰关节驱动电机的选择19432腕部俯仰关节的设计194.2 .3带轮的设计204.3 4传动轴的设计和校核214.4 本章小结235。部的结构设计255.1 手禹的设计要求255. 2小臂的设计265.1.1 小臂I驱动电机的选择265.1.2 小臂I的结构设计27523小制I1.驱动电机的选择28524齿轮的设计与校核295.2.5 小储输出轴的设计与校核34526小将H的结构设计365. 3小臂刚度校核366. 4大微的设计376.1.1 大臂驱动电机的选择376.1.2 大件的结构设计395. 5本章小结406底座的设计415.1 底座电机的选择415.2 轴I的设计426. 3底座的结构设计437. 4本章小结447总结45考文46致尉481.1 研究的目的及意义随着科技的不断发展，机械化种植已经在逐步替代传统的依鸵人工的农业种植方式,农业生产已经发生了IR大的改变。近年来，电子技术和计算机技术的飞速发展，原本用于工业的机器人已经走向农田，已经在农业生产中发挥了极其重要的作用,现在可以通过机器人来实现农业上的移栽、嫁接、除草、采摘和果蔬分离等作业,根据相关统计表明：由于人口老龄化以及农村的青年人都在去城市打工，从事农业方面的工作的人数在减少，而农业生产也逐渐规模化、多样化，劳动力也越来越缺乏。在果园种植中，仅仅果实采摘时需要大量劳动力，平时却不需要，部份种植园难以找到足够的临时从业人员，无法及时采摘，造成经济损失。即使有足够的临时劳动力，但他们由T不熟悉工作，这将会加大果实在采摘过程中的损伤几率。相关资料表明：果实采摘的花费已经占据了整个农业种植生产费用的40%以上，甚至有部分种植园己经达到50%的程度。为降低种植的成本，从而提高农民的收入，研究和发展采摘机器人已经是农业发展的重要一环。采摘机港人是现代农业发展出来的一种能代替人工自主采摘果实的智能化、机械化和精准化的设备。但我国的农业机器人起步较晚，发达国家早在上世纪六十年代就已经开始对丁农业机器人的研究，各发达国家在八十年代就纷纷结合自身的实际情况，研究相关的农业机涔人，国内的农业机器人是在上个世纪九十年代的中期才开始的，发展得比较晚，与发达国家相比，还存在若明显的差距.但随着中国的经济和科技蓬勃发展，尤其是国家在政策上不断的扶持和引导农业的机械化、智能化，为农业机曙人的发展提供了一片良好的土壤。我国是世界上第一水果大国，我国的水果种植面积大约有800万公帧，占全球的果树种植总面积的2隗左右：水果年总产量超过了5900多万吨，占世界所有的水果的总产出的13.4¾,这两项指标都是排在全世界的第一。而柑橘营养丰富，深受人们的喜爱，我国的柑橘资源非常丰富，国家柑橘资源网保存千两百多份资源。在生产上栽培主要有柑橘属以及少量的金柑属、枳属。我国的柑橘主要种植在广东、湖南、四川、重庆、浙江、广西、福建、湖北、江西等九个省（区、市），产量占全国的90%以上。柑橘种植时殷都是种植园大量:种植，采摘时间在十月到十二月之间,采摘方式主要还是以人工采摘为主。由于柑橘树底于小乔木，分枝多，枝扩展或略下垂，刺较少，采摘时为了保证柑橘的储存，需要将柑橘果实以及其小截果柄保留，而不是果实与果柄分离，这就是需要较大的分离力，从而导致人工长时间的采摘会出现疲劳，采摘效率下降“为r保证柑橘的新鲜，果农需要在很短的时间内采摘完柑橘，采摘强度大，效率低，而人力劳动成本在不断的上升，又无法通过大量增加人手来完成柑橘的采摘。人们需要在农业方面开发出代替手工的自动化设备，而作为集机械、电子、控制、计算机、人工智能等很多歌不同的学科的先进的技术集合在一起的现代自动化装备，机器人显然为降低劳动力成本提供了最佳的选项，不仅可以提高机械化水平，缓解劳动力不足，还可以避免因人工采摘带来的交通事故和人身安全问题.随着农业生产发展更加规模化和多样化，发展果树采摘机涔人研究是历史走向的必然趋势，有着非常重要的意义。1.2 国内外采摘机器人的研究现状1968年，著名的美国学者SChertZ和BroWn提出了采摘机器人的思想，1983年,第台采摘机器人在美国诞生了，往后的几十年里，美国、日本、英国、法国、韩国、荷兰等都相继开始采摘机器人的研发。日本岗山大学的KondO研发了种主要由机械臂、末端采摘执行器、行走的小车、视觉系统和控制部分组成的番茄采摘机器人，其机械臂拥有七个自由度如图IJ所示。S1.-前后延伸棱柱关节；S2一上下延伸棱柱关节；3、4、5、6、7一旋转关节-图1.1番茄果摘机器人的结构简图它采用由一个能够提供彩色摄像的摄像头和一个图像处理的集成卡组成的视觉系统来找到成熟的济茄。考虑到番茄的果实很多时候会被番茄的叶茎挡住，采摘的机器人为了能够灵活避开树枝或拧其他的障碍物，因此采用采用具有冗余度的7自由度的机械臂。此外,他们为了减少对果实的伤害，将其末端执行器的机械手抓配带上2个带有橡胶的手指和1个气动吸嘴，利用机械手的腕关节把果实从番茄树上拧下。移动的小车有4个车轮，能都自由的在田间行走，他们利用机器人上的一些传感器和原本就设置好的,放在地上的反射板，可检测有没有到采摘的地方，到了之后小车就停卜.来，掉头后再前进。这个番茄采摘机器人从识别番茄到将番茄采摘下来的速度大约是15s左右，采摘的成功率在70%左右。有30%左右的番茄没有被采摘的主要原因是番茄被枝叶密密麻麻的包围了，机器普还是不能避开这些枝叶去采摘番茄。因此还需要在机器手的结构和采摘的工作方式等方面加以改进，另外,机器人的采摘速度还需要提高，只有降低机器人自动化收获的成本，才能其正的达到实用化。图1.2西红柿采摘机器人韩国的一些单位也对番茄的采摘机器人进行r一些设计和研究，该机器人的检测原理是对西红柿的颜色进行判别，根据西红柿的红色深浅差别来区分果实是否成熟，有选择的摘取成熟的西红柿。由于该机器人的工作效率低，未能形成产品，用于实际生产中。美国加利福尼亚州的西红柿机械设计公司研发了一种不需要机械臂的采摘机，它是将整个的西红柿都卷入到分选仓里面，包括西红柿的茎叶，仓内有红色视谱的分选设备,他能将红色的西红柿挑选出来，并通过输送带运送到卡车的车厢里，剩下未成熟的西红柿和西红柿的茎叶符放入粉碎机构中进行粉碎，之后喷洒在农田里作肥料。如果种植的西红柿产量足够高的话，这种西红柿采摘机分钟能采摘吨多的西红柿.个小时能采摘70吨的西红柿.英国的Si1.soe研究所设计的落菇采摘机器人，他可以#常自动化的检测到落菇的位置和大小，然后乂选择的去修剪和采摘点菇。虽然它只有三个自由度，移动关节是使用气动装巴驱动的和旋转关节则是采用电机来驱动，这样的设计非常简单,成本也比较低。由于够菇生长中会出现帧斜的情况，机器人的采摘成功率只有为75%左右，采摘速度是6.7个s°荷兰和日本都对黄瓜采摘机器人进行了研究设计。日本研发的黄瓜采摘机器人拥有六个自由度，能够在专门为采摘机活人设计的倾斜大翻下采摘，由于大棚支架是倾斜的,黄瓜的茎叶都缠绕在支架上，而果实较重，在至力的作用下与茎叶分离，再通过摄像头采集图像，这个检测装置是根据反射特性来分别出黄瓜和茎叶。末端执行器上有一个用于探测果梗到底在哪的探测器、切断的设备和用来抓紧黄瓜的机械手指，荷兰的农业环境工程研究所也在九卜年代的时候研发了一种黄瓜的采摘机器人，该机器人要求黄瓜必须要按照高挂线缠绕方式悬吊生长，该黄瓜采摘机器人由个移动小车、机械臂、视觉系统和末端执行器4部分组成1,采摘机器人可以在无人帮助的情况下自行在温室中工作，在研究实验中，工作速度为54s根，由于只能做到每个机械臂每次只能采摘一根黄瓜,效率无法达到商用的要求，口对黄瓜的前期培养环境有较高的要求，因此并未形成产品。我国是在上世纪的九十年代中