番茄采摘机器人.docx

华北理工大学轻工学院QingGongCollegeNorthChinaUniversityofScienceandTechnology毕业设计说明书设计题目：西红柿采摘机的结构及控制系统设计学生姓名：任继浩学号：202024900118专业：机械电子工程班级：202Oq机电1班所属学院：工学院指导教师：单小明副教授2024年5月10日目前中国已成为继美国之后世界第二大加工番茄生产基地，其加工番茄的种植面积约占世界总种植面积的28%。大力发展番茄产业，加快发展步伐，就促使番茄收获实现机械化。番茄收获是农业生产过程中的重要环节，目前大都是人工采收，生产效率低，而番茄成熟季节与棉花成熟季节相同，由于新疆是棉花大省，占用劳动力很多,往往都是因为劳动力不足，影响了番茄的最佳成熟时节，严重影响了番茄的品质，造成了一定的损失!由于进口番茄收获机存在价格昂贵服务周期长和收费高等问题，对我国番茄机械化采收技术的推广和普及造成很大障碍，因此本文设计了一款以西门子PLC为基础的智能番茄采摘机。本文设计的是智能番茄采摘机器人的控制系统，主要包括机器人的规划方案、选择合适的电机并设计相应的电路图、运用STEP-7软件进行机器人控制系统的编写以及利用MCGS触摸屏实现人机交互。经设计，PLC程序已经能够正确的驱动机器人工作。本系统的设计研发能够大大减少劳动力成本，为将来农业的机械化提供了一种新的思路及方法。关键词自走式；收获机；番茄；控制系统AbstractAbstractAtpresent,Chinahasbecometheworld'ssecondlargestprocessedtomatoproductionbaseaftertheUnitedStates,andtheplantingareaofitsprocessedtomatoesaccountsforabout28%oftheworld'stotalplantingarea.Vigorouslydeveloptomatoindustry,acceleratethepaceofdevelopment,promotetomatoharvestmechanization.Tomatoharvestisanimportantlinkintheprocessofagriculturalproduction,atpresentismostlyartificialharvest,lowproductionefficiency,andtomatomatureseasonandcottonmatureseason,becauseXinjiangiscottonprovince,takeupalotoflabor,oftenbecauseoflaborshortage,affectedthebesttomatomatureseason,seriouslyaffectedthequalityofthetomato,causedcertainlosses!Duetotheproblemsofexpensiveservicecycleandhighchargeofimportedtomatoharvester,itcausesgreatobstaclestothepromotionandpopularizationofmechanizedtomatoharvestingtechnologyinChina.Therefore,thispaperdesignsanintelligenttomatopickingmachinebasedonSiemensPLC.Thispaperdesignsthecontrolsystemoftheintelligenttomatopickingrobot,mainlyincludingtheplanningschemeoftherobot,selectingtheappropriatemotoranddesigningthecorrespondingcircuitdiagram,writingtherobotcontrolsystemwithSTEP-7software,andusingtheMCGStouchscreen.Bydesign,thePLCprogramhasbeenabletodrivetherobotworkingcorrectly.Thedesignanddevelopmentofthissystemcangreatlyreducethelaborcost,andprovideanewideaandmethodforthefuturemechanizationofagriculture.批注WUl:页码毕业设计说明书摘要1Abstract1第1章绪论2LI课题研究目的和意义21.2 国内外番茄收获机研究状况21.3 目前农业采摘机器人存在的问题61.4 研究的内容和方法6第2章基础技术参数的选定12.1 机器人工作的动作要求12.2 机器人采摘机构的技术要求22.3 驱动方式的选型2第3章番茄采摘机器人机械手结构设计13.1 番茄生物学特性与栽培技术13.2 采摘臂机构选型2第4章机械臂传动机构设计14.1 臂关节传动方案设计14.2 机械臂传动关节参数设计2第5章机器人其余部分的设计15.1 小臂与腕部传动方案设计15.2 腕部的设计25.3 末端执行器结构的设计3总结1参考文献1第1章绪论批注WU2:绪论内容太少，另外增加现有的一些结构图，从网上找找很多呢LI课题研究目的和意义番茄是世界上最流行的水果和蔬菜园艺作物之一，不仅有丰富的营养价值，还有各种各样的药用功能，被誉为神奇之果。它有丰富的维生素A原和维生素C,而卫生素A原可以在人体内转变为维生素A,它可以促进人体骨骼的生长，防治干眼症，夜盲症等疾病。现代医学研究表明，维生素C摄入量能对控制和提高人体抵抗癌起到一定的作用。同时节果酸和柠檬酸可以增加胃液的酸度，帮助胃的消化，也有调节胃肠的功能。据营养学家研究测定：每人每日食用50-100克新鲜番茄，可以满足人体对多种维生素的需要。目前中国已成为继美国之后世界第二大加工番茄生产基地，其加工番茄的种植面积约占世界总种植面积的28%。新疆是我国最大的加工番茄生产基地，其具有发展加工番茄生产得天独厚的农业资源。昼夜温差大、日照时间长、干燥炎热、病虫害少、独特的自然条件为大规模发展加工番茄产业提供了非常有利的条件，约占中国加工番茄的种植面积的80%左右。2009年新疆番茄种植面积已达158万亩，番茄产量达到744万吨，生产番茄制品101.46万吨。然而，目前新疆的加工番茄普遍采用人工采收，劳动强度大，生产效率低，费时费力，采收费用高，且常由于采收不及时，造成大量的加工番茄腐烂在地里，而正值新疆的秋收季节之时，致使劳动力极为紧缺。但经过十几年的发展，新疆的“红色产业”发展迅猛，产量逐年递增。我国是番茄种植大国，但是无架番茄种植面积小，植株长势没有规律移动枝干容易造成枝干的折断，并且产量低，果实易发生腐烂变质；而大面积种植的方式是在温室大棚中或高架形式种植的，并且种植的品种多，产量高，能够充分提高阳光的利用率，并且灌溉、施肥以及植保起来非常方便，番茄植株之间的行距比较宽阔，适合机械化采摘。大型机械收获番茄，适合于大块田地这种种植模式，而温室大棚和一些小地块的番茄种植，大型机械无法进行采摘，所以用机器人采摘番茄能更好的代替人工，实现自动化的采摘番茄，这是解决上述番茄采摘问题的最好方式。研究番茄机器人，有助于提高番茄的采收效率，降低果实的损失率，达到增加农户收入的目的，同时番茄采摘机器人的智能化研究是现代化农业工程的重要课题。1.2国内外番茄收获机研究状况20世纪60年代美国开始了自动化采摘技术的研究，主要采用机械和气动震摇的方式进行果实的收获，这样做造成收获效率不高，容易损坏果实，且无法进行选择性的收获。20世纪80年代开始，由于计算机技术的飞速发展，推动番茄采摘机器人的图像处理技术和人工智能技术的迅速发展。其中日本、荷兰、美国、意大利、英国，韩国等国家，在机器人采摘方面做了大量的研究，主要是以西红柿、甜橙、苹果、黄瓜、西瓜、草莓为研究对象，成功的做出了多种采摘机器人样机。(1)国外相关领域的研究图1为日本KNODO等人研制的西红柿采摘机器人，它采用三菱RH-6SH5520型四个自由度的工业机器人，四个自由度中三个旋转自由度，一个上下移动自由度。该机械人是在单个果实采摘机器人的基础上研制的。该机器人能够进行整串番茄的采摘，其最大的采摘质量为6kgo末端执行器位置采用光电传感器能够对番茄的果梗进行定位，然后单片机控制机械手的末端执行器动作，利用刀片切断定位的果梗，同时在剪切果梗位置下部末端执行器夹住果梗，易实现更好的夹住整串剪掉的番茄。该西红柿采摘机器人适合在高密度种植的绿色温室大棚中使用,采摘单串西红柿需要15s,而且成功率只有50%,采摘成功率较低。西红柿采摘机器人草莓采摘机器人I一批注WU3:图号例如图1.1西红柿采摘机器人，然后每一章顺着排2004年，美国福尼亚西红柿机械公司制造出了全自动西红柿采摘机，该机已在我国新疆已经得到了应用。在收获时机器前端的割台，将番茄径割断卷入到分选仓中，把番茄从果梗上甩掉，然后在进行番茄的筛选，最终把成熟的番茄选择出来输送到一旁的车中，果梗加上未成熟的番茄经过粉碎，撒到土壤中作为下次的肥料。图二为日本的Hayashi等人开发的三自由度的草莓收获机器人。它由机械手，视觉系统，末端执行器和移动平台组成。机器视觉单元有一个二极管和电荷耦合器件摄像机组成，两侧的摄像机是用来确定成熟果实在三维空间的位置和果实的成熟度，中间摄像机用来检测果梗的位置和倾斜程度，末端执行器包括一个夹持器切梗和反射式光电传感器，缓冲材料粘贴到手指的接触面以使它能够同时夹持和切梗。该机的平均收获成功率为54.9%o采摘成功率较低的原因一是收获过程中容易被其他草莓遮挡而难以实现单个草莓的采摘；二是视觉系统不能准确识别，最终导致机器人不能成功的采摘草莓。图三为日本的Kanae等人研制的樱桃收获机器人。该机器人有4自由度，1个上下移动，3个左右移动的自由度，这样能够实现机械手的末端执行器在樱桃树四周进行采摘，为了更好的实现对樱桃的定位，三维视觉传感器安装在机械臂上，可以随着机械手一起移动，从而减小视觉死角。在视觉传感器获得果实位置后，末端执行器运动至果实所在位置，真空吸尘器通过管道向末端执行器提供一定的负压，将樱桃吸附在真空管口，末端执行器机械指夹住果梗，果实连同果梗一起从树上摘下，送至集果箱，完成一次收获。樱桃收获机器人佛罗里达大学的Mehta等人研制的一种七自由度的柑橘采摘机器人。该系统采用闭环控制可进行及时反馈，同时采用双摄像头，一个安装位置固定，另一个安装在末端执行器的中心位置，随机械手移动。该机器人对机器人在实验室内对柑橘进行随机的采摘实验，采摘成功率达到95%韩国kyungpook大学研制的4自由度的苹果采摘机器人，3个旋转自由度、一个移动自由度。该机器人采用三指夹持器式的末端执行器，内嵌有压力传感器，用以减少苹果的损伤。同时末端执行器下方装有果实收集袋，方便了采摘后苹果的拾取问题，在一定程度上缩短了采摘的时间。总的来说国外的机器人研究还是存在一些问题的，还有很多问题是众多国家共同面临的难题，需要去处理，比如机械手的路径的规划问题、视觉的识别系统、以及机电一体化问题等。（2）国内相关领域的研究我国在果蔬采摘机器人方面的研究起步相对较晚，但是我国的很多相关机构也都做了大量的研究。