苹果采摘机械手的设计与优化
发布时间：2020-04-01 07:30
【摘要】：我国是世界最大的果蔬生产和消费国,果蔬产量稳居世界第一。而果蔬采摘是生产链中最为耗时、费力的一个环节。目前,国内多数果蔬采摘采用人工采摘,采摘费用约占成本的50%—70%。实现果蔬的机械化采摘,对于解决水果产业的劳动力不足、生产成本高、生产效率低等问题以及提高果蔬的市场竞争力等方面均有重要的意义。本文以苹果为采摘对象,进行了苹果采摘机械手的结构设计,提出了一种具有四自由度连杆式机械臂的采摘机械手,开发了一种剪切式的末端执行机构结构形式,并通过理论分析确定了最佳结构方案。从仿真分析结果看,本文设计的苹果采摘机械手具有良好的采摘性能。具体研究内容如下:(1)对国内苹果种植地的环境特点进行了分析,确定了苹果园果树种植间距、行距等数据,并对苹果在果树上的分布特点与规律进行了分析,确定了果树上苹果的分布区域;确定了采摘对象的物理性能参数;为采摘机械手总体方案的设计提供基础数据与依据。(2)根据苹果种植地的环境特点,结合机械手采摘苹果的实际工作要求,合理选择了采摘机械手的驱动方式,确定了采摘机械手的自由度、末端执行机构的形式和采摘机械臂的结构方式,完成了苹果采摘机械手的总体设计方案,为采摘机械手的结构设计奠定了基础。(3)依椐苹果采摘机械手的总体设计方案,结合苹果的物理特性对采摘机械手末端执行机构进行了具体的结构设计:根据采摘机械手末端执行机构的结构和剪切动作要求,对采摘机械手机械臂进行结构设计;最后,根据机械臂的结构,对机械臂动力部分进行了设计,最终完成了采摘机械手的全部结构设计。(4)利用图谱分析和运动学分析对采摘机械手机械臂尺寸的正确性和机械手运行的稳定性进行了检验。分析结果表明:采摘机械手的工作空间能够完整的覆盖苹果蔬在果树上的分布空间,机械臂的尺寸设计足正确的:机械手末端执行机构、机械臂的相关运动学曲线光滑,采摘机械运行稳定,结构设计合理。(5)对机械臂承重结构进行了有限元分析,根据分析结果和机械手的采摘精度要求对机械臂承重结构进行了优化,减小了机械手的最大位移量;对机械手剪切机构进行了分析,研究了刀刃角度与剪切力和刀具变形量之间的关系,综合考虑果梗硬度、刀具寿命等因素,最终确定了刀具角度。本文依据采摘机械手的作业环境和采摘对象的物理特性,设计一种新型的具有连杆式机械臂和剪切式末端执行机构的苹果采摘机械手,其采摘过程中不会对果实产生物理损伤,采摘有效范围广。该机械手有效提高了苹果的采摘质量和采摘效率,降低了苹果采摘的劳动强度和采摘成本,提升了苹果的市场竞争力。本文设计所运用的方法可以为其他果蔬采摘机械设备的开发与研究提供借鉴。
【图文】：
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本文编号：2610156
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