苹果采摘机械设计-(1).docx
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苹果采摘机械设计-(1).docx
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毕业设计(论文)
苹果采摘机械设计
Designofapplepickingmachine
学生姓名
彭靖文
学生专业
机械电子工程3班
学生年级
14级
指导教师
李永阳
广东科技学院教务处制
目录
摘要 1
Abstract 2
1绪论 3
1.1课题研究背景及来源 3
1.2国内外研究进展 3
1.2.1国外研究进展 4
1.2.2国内研究进展 8
1.3研究内容及意义 9
2机构的总体方案设计 11
2.1机构工作的基本原理 11
3机构的机械结构设计 13
3.1机构的剪夹器传动类型选择 13
3.2机构的剪夹器设计 13
3.2.1剪夹器工作过程分析 13
3.2.2剪夹器原理设计 14
3.2.3曲柄摇杆的设计 14
3.2,4原位置返回设计 15
3.3机构的手机连接无线摄像头 17
3.4机构的电机选择 19
3.4.1负载电机选型 19
3.5机构的开关设计 20
4结论和展望 22
4.1结论 22
4.2主要创新点 22
参考文献 23
致谢 24
摘要
鲜果和加工制品是苹果消费市场的主要产品,鲜果的比例目前高达百分之九十,而加工制品仅仅占百分之十左右,为了保证苹果的品质,我国就苹果产业来说目前的重中之重是适时采摘。
采摘工作的日益繁重与劳动力的极度缺乏使得适时采摘现在变得越来越难,而现在苹果采摘是苹果生产中耗时费力的环节之一,需投入非常多的劳动力,我国农业目前无论是机械化还是智能化水平都较低,所以就目前而言,研制一款简单经济的、可以提高采摘效率的机构就显得尤为重要,是具有很重要的战略意义的。
本课题旨在设计一款简单、方便、经济的苹果采摘机构,主要研究的内容包括以下几个方面:
(1)首先运用人机工程学的所学内容来设计适合成年人使用机构的尺寸以及机构零部件的选型。
(2)本设计运用了步进电机实现半自动化的控制升降以及控制采摘的工作,涉及材料力学以及机械原理的所学内容,后续会有验证。
(3)为了能提高采摘效率,本设计在采摘部分运用了手机APP连接摄像头,能在采摘的时候直观的看到采摘情况。
(4)本设计采摘部分运用边剪边夹的原理,实现剪下树枝的情况下瞬间夹住树枝,防止苹果掉在地上造成苹果损坏。
(5)运用SolidWorks软件先画出三维图,然后进行运动仿真,之后再进行可行性分析以及材料分析。
关键词:
半自动化;远程监控;运动仿真
Abstract
Appleconsumptionmarketismainlyfreshfruitandprocessedproducts,theproportionoffreshfoodisuptoninetypercent,processingproductsaccountforonlyabouttenpercent.Inordertoensurethequalityofapple,timelypickingisthetoppriorityofappleindustryinChina.Thelackofheavyworkpickingandlabormakesthetimingofharvestinghasbecomeincreasinglydifficult,whileapplepickingisoneofappleproductionintimeconsumingparts,needtoinvestconsiderablelabor,themechanizationandintelligentlevelofagricultureinourcountryisrelativelylow,sothedevelopmentofaneconomy,canimprovetheefficiencyofthemechanismofapplepickingitisparticularlyimportant,ishasimportantstrategicsignificanceof.
Thepurposeofthisprojectistodesignasimple,convenientandeconomicalapplepickinginstitution.Theresearchcontentsincludethefollowingaspects:
(1)firstofall,weusethecontentofergonomicstodesignthesizeoftheorganizationsuitableforadultsandtheselectionofpartsandcomponents.
(2)thisdesignusessteppermotortorealizesemi-automaticcontrolandcontrolpicking.Itinvolvesthecontentsofmaterialmechanicsandmechanicalprinciples,andwillbeverifiedlater.
(3)inordertoimprovetheefficiencyofpicking,thisdesignusesthemobilephoneAPPconnectingcamerainthepickingpart,andcanseethepickingsituationintuitivelywhenpicking.
(4)thepickingpartofthedesignusestheprincipleofedgeclippingandedgeclipping,soastorealizetheclippingofbranchesundertheconditionofclippingbranches,soastopreventapplefallingtothegroundandcauseAppledamage.
(5)theuseofSolidWorkssoftwaretodrawathree-dimensionalmap,andthencarryoutthemotionsimulation,thenthefeasibilityanalysisandmaterialanalysis.
Keywords:
semiautomation;man-machineengineering;motionsimulation
1绪论
1.1课题研究背景及来源
随着人们的生活水平的日益提高,水果目前在整个食品的消费结构中的比例也在逐步上升。
很多农民就开始种植水果,最近,我国水果的种植面积和产量都显著增加。
1978年,我国的农业结构刚开始调整,这使得水果产业发展更加蓬勃,1997年,中国的水果产量在世界的排名窜升到第一位,在这二十年来,其产量也从6570000吨增到50893000吨。
尤其是世界四大水果之一的苹果,在我国无论是栽种面积还是产量都不断在提高。
2012年,我国苹果的栽种面积达到2300000公顷,产量达380000000吨,这在世界范围内的产量比例达百分之五十,把其他国家远远抛在后面,中国自然就成为了集苹果的生成、出口和消费的大国。
我国的苹果种植区目前主要有环渤海、黄土高原、黄河故道、西南冷凉高地。
其中的两大优势地域为:
(1)山东半岛,辽东南部,河北东部的渤海沿岸地区;
(2)山西北部、甘肃东部、山西南部、河南西部、河北西部的黄土高原地区。
2010年,在这两大优势地域里,苹果的栽种面积和产量分别达到了1330000公顷,23560000吨,占全国的61.7%和70.8%。
鲜果和加工制品是苹果消费市场的主要产品,鲜果的比例目前高达百分之九十,而加工制品仅仅占百分之十左右,为了保证苹果的品质,我国就苹果产业来说目前的重中之重是适时采摘。
苹果的收获工作量极其繁重,其中包括判断成熟度、采摘、分级,并且需要不时的登高或者弯腰,这个工作是苹果的生产链中最最费时、最辛苦的一个工作,这个环节毫不夸张地说需要投入整个生产过程百分之五十至百分之七十的劳动力。
从21世纪以来,随着我国的老龄化程度不断加剧和城市化范围不断加大,劳动力自然就转移到城市的工业或者其他产业,这使得农业的劳动力不但急剧减少,而且成本不断提高。
所以在这种低微的生产力前提下,人工收获苹果的效率很低,苹果的新鲜度也得不到保证。
苹果的半自动化采摘不仅可以提高采摘的工作效率,也可以减少劳动力的需求,还可以缩短采摘的时间,从而保证了苹果的适时采摘。
但是目前我国的机械化、自动化的程度与苹果的产量完全不能对等。
所以,就目前而言研究出一款半自动化的苹果采摘机构显得意义尤其重大。
1.2国内外研究进展
一般人们普遍认为,水果采摘机器人就是一种通过复杂的编程,来实现水果的采摘、分级、打包等收获任务,而且还具有强大的感知能力的自动化和机械化的收获系统。
水果采摘机器人的研究涉及的知识面极其广泛,其中包括视觉图像处理,导航技术,机械结构,传感器技术,动力学,控制技术和信息处理等。
1968年,美国的学者布朗和谢茨首次提出果蔬收获用机器人技术实现。
1983年,美国第一次制造出西红柿采摘机器人,但是这种采摘机器人需要人工协助来完成采摘工作,所以在全自动化方面还有待研究。
从此,以美国、日本为代表的发达国家,就开始注重于投入大量的精力到果蔬收获机器人研究上,而且之后各种果蔬采摘机器人就相继研制出来了,如柑橘、西红柿、黄瓜、苹果、茄子等采摘机器人。
上世纪90年代,中国也开始了采摘机器人的研究,虽然研究起步较晚,但是在这几年,也取得了相当好的成绩,比如江苏大学开发的苹果采摘机器人,中国农业大学研制的黄瓜采摘机器人等。
从之前研究的多种果蔬采摘机器人系统来看,采摘机器人主要由采摘机械臂、末端执行器、移动平台、控制系统以及图像处理系统等部分构成。
1.2.1国外研究进展
1993年,日本冈山大学紧随美国的研究脚步研制出西红柿采摘机器人。
如图1-1所示。
此采摘机器人跟美国首次研究出的有所不同的是采用轮式移动机构,其机械臂是更复杂的七自由度机械臂。
此采摘机器人采用彩色CCD摄像机作为视觉传感器可以准确感知果实成熟度,而且可以通过双目视觉进行准确的果实定位,准确地判断果实是否在可抓取范围之内,然后再利用末端执行器将果实固定,再运用腕关节拧下。
此采摘机器人从完成识别到采摘所需时间仅大约为15s/个,并且成功率在75%左右。
此采摘机器人主要存在的问题有:
一方面,不能识别到枝叶茂密后方的西红柿,另一方面,机械臂对被遮挡的果实也难以采摘。
图1-1西红柿采摘机器人
1995年,日本研究进度迅速,很快就研制出一种葡萄采摘机器人,该采摘机器人主要适用于果园棚架。
此采摘机器人采用的是五自由度的机械手,可以保证末端执行器可倾斜,执行器可倾斜靠近葡萄架,以此减少漏摘现象。
而末端执行器则由剪刀和仿真手指组成,采摘时,首先手指会先抓住果实,然后剪刀再剪断茎脉。
此采摘机器人还采用PSD三维视觉传感器,这传感器可以准确检测到成熟度已达收获要求的果实具体位置信息。
除此之外还开发了很多种末端执行器,以此满足葡萄在不同生长阶段的需求,如施肥、套袋等中期作业。
与其他采摘机器人不同的是机器人不但在一年内使用的时间延长了,而且还减少了空置时间,以此提高了效率。
图1-2葡萄采摘机器人
如图1-2所示,此采摘机器人的机械臂是有基于极坐标的5自由度采摘机械臂,其中包含1个直动关节和4个旋转关节,这种结构可以有效确保末端执行器水平或垂直地靠近葡萄架。
此采摘机器人的末端执行器是由切断茎脉的剪刀和仿真手指组成,并且设计有多套末端执行器来适应在不同的阶段,主要用于喷雾、剪枝和葡萄架的套袋作业,有效地提高了设备的综合利用率。
其主要存在缺点:
首先是采摘对象有很多的限制,然后就是复杂的多自由度的机械臂直接导致控制的繁琐。
1996年,荷兰农业环境工程研究所不负荷兰政府多年经济投入,研制出了黄瓜采摘机器人,如图1-3所示。
该机器人采用三菱公司6自由度的RVE2型机械手和安装了一个有一个线性滑动自由度底座上,所以此采摘机器人具有7个自由度,此设计虽然操作复杂,但是可以有效增大机器人的作业空间。
而在末端执行器这个方面,采用了电极切割代替传统的刀片,以此保证了果实水分的减少流失。
而且还采用了近红外视觉系统来辨识黄瓜果实是否承受并且进行果实准确定位。
实验结果显示机器人采摘一根成熟黄瓜大约耗时10s,比较遗憾的是由于其较低的利用率和昂贵的制造成本很难实现商品化。
图1-3黄瓜采摘机器人
20世纪末英国silsoe研究院成功研制出了用于蘑菇采摘的农业机器人,如图1-4所示。
采摘机械臂是由一个电机驱动的旋转关节和两个气动式移动关节组成的三自由度机械臂。
其末端执行器上精巧地设置有软村垫和吸引设备以此防止果实的损伤。
采用TV摄像头作为定位和果实识别的视觉传感器。
此采摘机器人采摘一个蘑菇平均耗时6.7s,采摘成功率在75%左右,机械结构比较简单,成本较低,但同时也存在一些问题:
采摘生长倾斜的蘑菇存在很大的困难。
如何采用多个末端执行器提高生产率以及尝试改进图像处理算法以此更好地调整末端执行器位姿动作来提高采摘成功率是亟待解决的问题。
图1-4蘑菇采摘机器人
日本、法国和比利时等国家曾经都对苹果采摘机器人都进行过深入研究。
比利时的JohanBaeten和KevinBoedrij等人研制的苹果采摘机器人如图1-5所示,此机器人的采摘机械臂采用的机械臂是6自由度的工业机械臂,为了增大采摘范围,还把机械臂安装在可水平和竖直移动的架子上。
一台拖拉机牵引整个采摘机械部件的运动,因而机器人整体占地面积显得比较大,同时也反映出机械本体成本较昂贵和灵活度较低。
图1-5苹果采摘机器人
法国国立农林机械研究所研制出了MAGAL苹果采摘机器人。
其机械臂采用中空结构以便于果实的收集。
采用CCD摄像机和光电传感器用于果实识别和果实定位。
韩国的Jang等人也进行了苹果采摘机器人的研究,设计的采摘机械臂由1个移动关节和3个旋转关节组成,各关节都由伺服电机驱动。
采用CCD彩色摄像机用于果实识别和果实定位,但此机器人大多数情况下无法采摘障碍物后的苹果。
1.2.2国内研究进展
我国东北林业大学的陆怀民成功地试验了林木球果采摘机器人,如图1-6所示。
由于球果生长位置的特殊性,设计的采摘机械臂也跟普通的采摘机器人有所不同,机械臂的伸长距离能达到6m,因此跟人工采摘比大大提高了采摘效率,约为人工采摘的30-50倍。
为了庞大的机械本体方便行走,移动平台采用液压驱动的履带式行走机构。
主要存在的缺点:
移动采用人工控制使其自动化程度较低、体积庞大导致系统能耗高。
图1-6林木球果采摘机器人
我国南京农业大学的顾宝兴、姬长英等人研制了苹果采摘机器人,如图1-7所示。
采摘机械臂采用的是德国MOTONMAN工业机械臂,此机械臂可以拟合空间内的任意曲线,采摘范围比较大。
视觉系统采用单双目摄像机以此识别果实,DGPS安装在履带式移动平台上实现自主导航,控制系统则采用基于上下位机的分布式控制方案。
设计的苹果采摘机器人在徐州成功地进行了实验,并且采摘成功率在80%以上。
其主要存在的问题:
除了采用的工业机械臂不能承受较大的末端负载,还有各下位机采用独立的控制器大大增加经济成本;。
图1-7苹果采摘机器人
我国的中国农业大学的张凯良、张铁中等人研制出了高架草莓采摘机器人,此采摘机器人采用三自由度直角坐标机械手用于其精密运动定位机构,能对草莓进行精确的定位;中国农业大学的纪超、李伟等人设计出了温室黄瓜采摘机器人,机器人机械臂采用4自由度紧凑型关节机械臂,单根黄瓜采摘耗时28.6s;华南农业大学的邹湘军等人开发了多类型水果采摘机器人,用于荔枝、柑橘等多种水果的采摘,大大提高了设备综合利用率。
1.3研究内容及意义
我国是世界第一大苹果消费国,也是世界第一大苹果生产国。
近年来苹果种植业的膨胀发展大幅度提升了果园机械猛烈的市场需求。
而采摘作业这一工作所用劳动力却占整个苹果生产链所用劳动力的50%-70%,就目前来说,我国的苹果采摘这个工作基本上都是人工采摘。
苹果采摘作业不但操作复杂,而且采摘季节性很强,如果使用人工采摘,不仅采摘效率低、劳动量巨大,而且也容易造成果实的损伤,如果一时劳动力缺失不能适时采摘还会直接导致经济上的损失。
因此使用采摘机械不仅可以提高采摘效率,而且还可以降低了损伤率,节省很多人工成本,除此之外还可以提高了果农的经济效益,就目前来说提高苹果采摘作业机械化程度毫无疑问是有极其重要的意义。
苹果采摘机械在果园规模化发展和规范化管理的地区应用更能突显其显著特点。
用机械代替传统的人力操作完成苹果采摘作业,既能减轻工人的劳动强度,提高功效,还可降低生产成本,提高经济效益,同时又能抢农时,减少损失,为果树生长发育创造良好环境,促进果品优质高产。
基于国内外大量的研究文献,机器人或者机械臂结构复杂,控制繁多而且设备繁多,设备维护比较麻烦,最主要的问题是经济成本太高,所以本课题设计一个机构具有简单、成本低、符合大众的特点。
2机构的总体方案设计
2.1机构工作的基本原理
本设计要实现的是半自动化采摘苹果,又要遵循机构简单,控制简单,成本低廉的原则,所以本设计利用了最基本的平面四杆机构曲柄摇杆机构和凸轮锁止机构实现控制剪夹器循环执行剪夹的动作,而电机可以用开关控制,还要实现半自动化的是滑动部分,同样也是用很简单的电机控制滑动,加上其他人性化的设计,比如手机监控,都是符合本设计的初衷的。
2.2机构的工作流程
图2-1流程图
首先手机先连接无线摄像头,在获得监控画面后,监控剪夹器的情况,控制滑块让剪夹器滑动到要剪夹的苹果上方,对准苹果枝之后启动剪夹器开关夹住苹果,夹住之后通过机械结构来控制剪刀剪断苹果柄,然后关闭剪夹器开关并保持剪夹器夹具保持夹紧,这时候控制剪夹器滑动到合适位置,打开剪夹器夹具,便于手可以拿下,收获苹果,以此循环。
3机构的机械结构设计
3.1机构的剪夹器传动类型选择
本设计剪夹器的传动方式选择了曲柄摇杆机构以及凸轮锁止机构,曲柄摇杆机构是由一个曲柄和一个摇杆组成的铰链四杆机构。
本设计采用的凸轮锁止机构是由一个带有曲线轮廓的盘型凸轮、一个往复摆动的摆动推杆和一个锁止的盘型凸轮机构组成的。
通常来说,曲柄作为主动件且等速转动,而摇杆则作为从动件做变速往返摆动,连杆做平面复合运动。
当然曲柄摇杆机构中也有把摇杆作为主动件,把摇杆的往复摆动转换成曲柄的转动。
曲柄摇杆机构是四杆机构最基本的形式。
曲柄摇杆的优点是制作方便简单,容易实现,符合本设计的初衷,但是也有一定的缺点,比如占用空间大,容易损坏等等。
在凸轮机构中,凸轮通常为主动件做等速转动,但也有做往复摆动或移动的,凸轮机构当中最大的优点是适宜地设计出凸轮的轮廓曲线,不但可以使推杆进行预期的运动规律,而且响应特别快速,机构也简单紧凑。
在凸轮机构中,特别是在自动机和自动控制装置方面有着广泛的应用。
3.2机构的剪夹器设计
本设计采用了通过设计剪夹器机构实现边剪边夹的功能。
“剪”和“夹”需由不同的机构来完成,所以剪夹器至少需要两部分组成,初步拟定由曲柄摇杆机构来完成剪的过程;由凸轮锁止机构完成夹的过程。
3.2.1剪夹器工作过程分析
表3.1剪夹器工作过程
凸轮锁止机构
曲柄摇杆机构
剪夹器到达苹果上方
无动作
无动作
剪夹器夹住苹果
夹住并保持
无动作
剪夹器剪下苹果
夹住并保持
工作端合并完成剪切
关闭剪夹器开关
夹住并保持,凸轮回到原来位置
停止工作,曲柄回到原来位置
剪夹器滑到指定位置
夹住并保持
无动作
取下苹果
锁止打开
无动作
3.2.2剪夹器原理设计
通过对剪夹器工作过程的分析,我们本着简单易操作,节约产品成本的初衷,采用凸轮锁止结构来实现“夹”的过程,采用曲柄摇杆机构来实现“剪”的过程,且剪夹有需要设计先后顺序。
现设计原理图如下:
图3.1凸轮锁止的设计原理
剪夹的先后顺序通过曲柄与凸轮的位置来实现,即凸轮在前,曲柄在后,前后位置相差。
电动机驱动机构开始运转后,凸轮先触发锁止机构,实现夹紧,曲柄随后到达剪切位置剪切。
凸轮锁止结构中,由于只考虑机械原理的设计,所以凸轮的远休止过程需使连杆达到锁止位置,从而锁止,现去苹果的直径为,故凸轮最大半径应为。
3.2.3曲柄摇杆的设计
曲柄摇杆只负责剪的过程。
现对曲柄摇杆机构定义如下:
图3.2四杆机构的设计原理
现用解析法设计四杆机构有:
则可得
现找到曲柄摇杆机构的两个极限位置,即剪切完毕时剪刀闭合,此时,,。
另一个位置为剪刀张角最大时,张角最大为,此时,,。
分别带入两方程可得
本着满足设计要求的前提下,尽量使其轻便易操作,可设计,。
可计算出
3.2,4原位置返回设计
剪夹器工作完毕后,凸轮锁止机构中的凸轮以及曲柄摇杆机构中的摇杆都需回到原来的初始位置,这样才能重复的进行下次工作,从而实现循环工作。
图3.3原位置返回的设计
本设计采用控制驱动电机输出角度位置复位来控制剪夹器凸轮锁止机构中凸轮和曲柄摇杆机构中曲柄的位置复位。
在驱动电机电路中串联铜环,铜环装在输出轴上。
铜环由大小两部分组成,其中面积较大的一片4与电机外壳连接而搭铁。
触点臂用磷铜片制成(有弹性),其一端分别铆有触点1、2与铜环3、4接触。
图3.4复位设计
当电源开关打到开档,电流从蓄电池正极→驱动电机正极→驱动电机负极→开关接线柱b端→接触片→开关接线柱c端→蓄电池负极,形成回路,电机正常运转。
电电源开关打到关档,如果输出轴没有回到原来位置,由于触点2和铜环4接触,则电流流进电机电枢。
此时电流从蓄电池正极→电机正极→电机负极→开关接线柱b端→开关接线柱a端→接触臂触点2→铜环4→搭铁→蓄电池负极,形成回路,电机低速运转,直至凸轮锁止机构推杆和曲柄摇杆机构曲柄如图所示的特定位置。
触点1和触点3通过铜环3接触,由于电枢转动时的惯性,电动机不能立即停下,电动机以发电机的方式运行而发电。
因为电枢绕组所产生的反电动势的方向与外加电压的方向相反,所以电流从电机正极→接触臂触点1→铜环3→接触臂触点2→开关接线柱a→开关接线柱b→电机负极,形成回路,产生制动转矩,电机迅速停止制动,使凸轮锁止机构推杆和曲柄摇杆机构曲柄回到初始位置。
3.3机构的手机连接无线摄像头
本设计采用小蚁无线摄像头,可以实现手机连接无线摄像头从而可以监控采摘情况,具体操作步骤如下:
1、开启无线摄像头,第一次使用黄灯会闪烁。
图3.5小蚁无线摄像头
2、下载安装小蚁摄像机专用APP。
图3.6小蚁摄像头的APP
3、使用账号登录APP,然后点右上角的"+",添加摄像头。
图3.7APP的操作
4、按软件提示设置。
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