周向多工位手持果实采摘设备的设计与研究
发布时间：2020-11-18 01:48
我国是果树种植大国,据统计,我国苹果、柑橘、梨的种植面积约1亿亩,产量在亿吨左右,且上述果树大多种植在山坡、丘陵地区,不利于大型采摘设备的使用。现今,果树采摘绝大部分还是以人工采摘为主。为提高果农的收益,急需研制结构轻便、操作方便的手持式果实采摘设备。本设计获2018年全国大学生机械设计创新比赛一等奖,主要研究如下:1、研究并建立符合中国国情的手持式果实采摘设备的评价体系。通过对果农的调查,建立了操作轻便性、采摘效率、价格、可靠性等评价指标体系及相应的评价权重,为设计新型的手持式果实采摘设备奠定了基础。2、以苹果树为例,分析其种植特征参数,及其果柄的物理特性,如直径、剪切力等。基于评价体系,提出新型手持式果实采摘设备应具备的设计特点:手动剪切、周向多工位采摘、设备可便捷调节杆长、视频辅助采摘、果树收集缓冲等功能。3、对手持式果实采摘设备进行型综合设计,并优化了结构参数。通过机构型综合方法,分析得出采摘设备输入和输出的运动方式为摆动,根据采摘设备的工作条件和使用要求,确定传动机构为带高副的五杆机构。选用Adams软件对采摘设备的传动机构进行动力学仿真分析,通过Step阶跃函数对虚拟样机施加载荷。以人手舒适握力30N和舒适摆动角度30°为边界,初步确定连杆长度为40～100mm和摇杆初始角度20°～60°。通过二分查找法,最终确定连杆长度为62mm,摇杆初始角度为21°,此时的剪切力最大为7.4N、剪切行程大于70mm,满足果柄的剪切要求。4、研制样机,并进行验证。对手动剪切机构、周向多工位采摘机构、杆长调节机构、视频辅助部件、果实收集缓冲机构等分别进行了设计、研制、试验验证等工作,并进行了整机装配。5、到高邮果园进行采摘试验,并改进发现的问题。到高邮果园进行多次采摘试验,并逐步改进了果实收集套筒存在划伤果实表皮的缺陷。经采摘试验表明,本设计相比于传统的人工采摘,效率约提高3倍以上,相对于其他辅助采摘设备,效率约提高1倍以上。不装摄像头,批量生产,预计每套的成本可以控制在150元以内,性价比高。
【学位单位】：扬州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S225.93
【部分图文】：
苹果采摘机器人［１２】。ＪｏｈｎＢａｅｔｅｎ等人研制苹果采摘机器人。其移动平台是一台拖拉机，??整体占地面积比较大，重量较大，且成本较高，只适于植株较矮小的苹果树。??西红柿采摘机器人［１３］。日本研制出一台７自由度的西红柿采摘机器人，如图１－１所示。??该机器人由机械手、末端执行器、视觉传感器和移动机构等组成，通过彩色摄像机来寻找??和识别成熟果实，利用双目视觉方法对目标进行定位。其采摘效率约为１５ｓ／个，成功率约??为７０％。存在的问题是被叶茎遮挡的成熟西红柿不能完全采集。??麵??图１－１西红柿采摘机器人??甘蓝采摘机器人［１４］。日本国立农业研宄中心的Ｍｕｍｋａｍ丨等人研制了甘蓝采摘机器人，??该机器人由极坐标机械手、末端执行器、履带式行走装置和视觉系统组成。利用人工神经??网络算法提取果实的二值图像，通过模板匹配识别合格的甘蓝。采摘速度为５５ｓ／个，成功??率为４３％。??葡萄采摘机器人［１５］。日本研制出一种五自由度的葡萄采摘机器人。采用ＰＳＤ三维视觉??传感器，可检测到成熟度己达到收获要求的果实位置信息。且开发了多种末端执行器，满??足葡萄在不同生长阶段的需求，如套袋、施肥等。??黄瓜采摘机器人［１６］。荷兰农业环境工程研宄所研制出黄瓜采摘机器人。机械臂在丝杠??上线性滑动，扩大了采摘的范围。末端执行器为电极切割，在切割茎脉的同时有杀菌功能，??减少水分流失
苹果采摘机器人［１２】。ＪｏｈｎＢａｅｔｅｎ等人研制苹果采摘机器人。其移动平台是一台拖拉机，??整体占地面积比较大，重量较大，且成本较高，只适于植株较矮小的苹果树。??西红柿采摘机器人［１３］。日本研制出一台７自由度的西红柿采摘机器人，如图１－１所示。??该机器人由机械手、末端执行器、视觉传感器和移动机构等组成，通过彩色摄像机来寻找??和识别成熟果实，利用双目视觉方法对目标进行定位。其采摘效率约为１５ｓ／个，成功率约??为７０％。存在的问题是被叶茎遮挡的成熟西红柿不能完全采集。??麵??图１－１西红柿采摘机器人??甘蓝采摘机器人［１４］。日本国立农业研宄中心的Ｍｕｍｋａｍ丨等人研制了甘蓝采摘机器人，??该机器人由极坐标机械手、末端执行器、履带式行走装置和视觉系统组成。利用人工神经??网络算法提取果实的二值图像，通过模板匹配识别合格的甘蓝。采摘速度为５５ｓ／个，成功??率为４３％。??葡萄采摘机器人［１５］。日本研制出一种五自由度的葡萄采摘机器人。采用ＰＳＤ三维视觉??传感器，可检测到成熟度己达到收获要求的果实位置信息。且开发了多种末端执行器，满??足葡萄在不同生长阶段的需求，如套袋、施肥等。??黄瓜采摘机器人［１６］。荷兰农业环境工程研宄所研制出黄瓜采摘机器人。机械臂在丝杠??上线性滑动，扩大了采摘的范围。末端执行器为电极切割，在切割茎脉的同时有杀菌功能，??减少水分流失
３??茄子采摘机器人［１７］。日本国立蔬菜茶叶研究所与岐阜大学联合研制了茄子采摘机器人，??其末端执行器原理图如图１－３所示。机器人由ＣＣＤ机器视觉系统、５自由度工业机械手、??末端执行器以及行走装置组成。采摘成功率为６２．５％，工作速度为６４．１ｓ／个。??４??１．光电传感器，２．引导杆，３．橡胶手爪，４．摄像机??图１－３末端执行器原理图??蘑菇采摘机器人［｜８］。英国Ｓｉｌｓｏｅ研究院成功研制出了用于蘑菇采摘的农业机器人。釆??摘机械臂为３自由度，为防止果实损伤，末端执行器上设置有软衬垫和吸引设备。果实识??别和定位的视觉传感器采用ＴＶ摄像头。该收获机器人采摘成功率在７５％左右，采摘效率??为６．７ｓ／个。??１．２．２果蔬采摘机器人国内研究状况??２０世纪９０年代中期，我国开始接触农业采摘机器人领域。东北林业大学陆怀民研制??出林木球果采集机器人１Ｍ。其采摘原理图如图１－４所示。此机器人移动平台采用履带式行??走机构以及液压驱动系统，越障性能优异，采摘执行机构为六自由度机械手，控制系统运??用单片机技术。其采摘效率约为人工采摘的３０？５０倍。??６ｍ??图１－４林木果球采摘机器人原理图??江苏大学的陈树人以ＫＨ－１００自动引导小车、ＭＯＴＯＭＡＮ机器人搭建了西红柿
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本文编号：2888191
【学位单位】：扬州大学
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３??茄子采摘机器人［１７］。日本国立蔬菜茶叶研究所与岐阜大学联合研制了茄子采摘机器人，??其末端执行器原理图如图１－３所示。机器人由ＣＣＤ机器视觉系统、５自由度工业机械手、??末端执行器以及行走装置组成。采摘成功率为６２．５％，工作速度为６４．１ｓ／个。??４??１．光电传感器，２．引导杆，３．橡胶手爪，４．摄像机??图１－３末端执行器原理图??蘑菇采摘机器人［｜８］。英国Ｓｉｌｓｏｅ研究院成功研制出了用于蘑菇采摘的农业机器人。釆??摘机械臂为３自由度，为防止果实损伤，末端执行器上设置有软衬垫和吸引设备。果实识??别和定位的视觉传感器采用ＴＶ摄像头。该收获机器人采摘成功率在７５％左右，采摘效率??为６．７ｓ／个。??１．２．２果蔬采摘机器人国内研究状况??２０世纪９０年代中期，我国开始接触农业采摘机器人领域。东北林业大学陆怀民研制??出林木球果采集机器人１Ｍ。其采摘原理图如图１－４所示。此机器人移动平台采用履带式行??走机构以及液压驱动系统，越障性能优异，采摘执行机构为六自由度机械手，控制系统运??用单片机技术。其采摘效率约为人工采摘的３０？５０倍。??６ｍ??图１－４林木果球采摘机器人原理图??江苏大学的陈树人以ＫＨ－１００自动引导小车、ＭＯＴＯＭＡＮ机器人搭建了西红柿
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