某藍(lán)莓采收機(jī)械裝置的整體方案設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u15820某藍(lán)莓采收機(jī)械裝置的整體方案設(shè)計(jì)案例 172141.1藍(lán)莓生長(zhǎng)特性 110971.2水果采收方法 2169931.3藍(lán)莓采收裝置類型選擇 2256771.4總體結(jié)構(gòu)方案 31.1藍(lán)莓生長(zhǎng)特性藍(lán)莓的種植位置、管理方法、栽培方式和生物學(xué)特性等等因素是研究開(kāi)發(fā)藍(lán)莓的機(jī)械機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)。本章節(jié)將研究藍(lán)莓樹(shù)的果實(shí)外形特點(diǎn)、果實(shí)生長(zhǎng)過(guò)程、樹(shù)冠基徑值、樹(shù)冠高度等特征，采集各種數(shù)據(jù)諸如：株距、行距栽培方式來(lái)綜合研究分析藍(lán)莓的收割作業(yè)。圖1.1藍(lán)莓果園實(shí)景本章節(jié)以安徽省懷寧縣黃墩鎮(zhèn)藍(lán)莓種植園為研究對(duì)象，實(shí)地勘測(cè)得知:種植園園的行間距通常比較寬，通常大約為1-3m左右，其中每一行的藍(lán)莓樹(shù)株距離大約為1-2米(圖1.1)。由于不同樹(shù)形、樹(shù)齡和剪強(qiáng)度等等冠層特性不同。實(shí)驗(yàn)考察得知，修剪強(qiáng)度可以分為輕度、中度和重度修剪。同時(shí)樹(shù)的外形通?？梢苑譃槭枭ⅰ⒎謱?、開(kāi)心和紡錘形。這里的樹(shù)齡分為4年、10年和15年。其中，表1.1是對(duì)種植園區(qū)的總體綜合調(diào)研。分析得出，藍(lán)莓樹(shù)結(jié)構(gòu)的不同其各種特點(diǎn)不同，同時(shí)關(guān)于機(jī)構(gòu)的數(shù)值也相差非常大。表1.1樹(shù)體結(jié)構(gòu)指標(biāo)項(xiàng)目強(qiáng)度基徑/cm樹(shù)冠高/cm底枝高/cm冠基徑/m分枝數(shù)不同修建輕度修剪中度修剪重度修剪13.2414.2214.12251.6211.3141.673.41101.7111.21.411.661.111-168-116-8不同樹(shù)齡4年10年15年8.1313.2219.47301.1211.1191.379.2100.188.31.591.781.116-107-127-10不同樹(shù)形開(kāi)心形紡錘形分層形14.2914.2213.22145.33208.45221.98108.8101.288.11.411.921.816-811-157-10調(diào)研的種植園地面較為平整，其中地上蓋有塑料膜，這種措施可保證藍(lán)莓的水分和溫度在根部能夠保持，與此同時(shí)通過(guò)塑料膜的反射光可以覆蓋藍(lán)莓的陰面部分。1.2水果采收方法水果蔬菜成熟后得采收方法主要有人工采摘和機(jī)械采摘兩大類；(1)人工采摘水果蔬菜，主要方式有徒手采摘和手持剪刀采摘等兩種采摘方式。手工采摘得水果蔬菜表皮完好不容易損壞，而且機(jī)械設(shè)備采摘果樹(shù)容易破壞果蔬，并且機(jī)械采摘不能區(qū)分果蔬得成熟程度，人工采摘可以區(qū)分果實(shí)得成熟程度，能做到分期采收。但是人工采收成本高、采收效率低。(2)機(jī)械采收果蔬產(chǎn)品具有采收效率快、節(jié)約人工成本。機(jī)械采收果蔬主要運(yùn)用于果實(shí)成熟后，用于剝落果梗與果樹(shù)之間得果實(shí)。一般使用刀片或者強(qiáng)壓強(qiáng)或者機(jī)械振動(dòng)等方式使果實(shí)脫落，果實(shí)落下后經(jīng)傳動(dòng)帶運(yùn)輸至果實(shí)收集裝置。1.3藍(lán)莓采收裝置類型選擇藍(lán)莓采收裝置應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：1)機(jī)械臂主體得選擇以關(guān)節(jié)型機(jī)械臂型，其主體結(jié)構(gòu)為小臂、大臂、腰部共3大部分。關(guān)節(jié)型的優(yōu)點(diǎn)為：占地面積小、工作空間大、動(dòng)作靈活等等諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適合藍(lán)莓采摘。2)增加機(jī)械手多路徑采摘的功能和增加工作空間，本文在起腰部增加了一個(gè)結(jié)構(gòu)為連桿折疊機(jī)構(gòu)的升降結(jié)構(gòu)，不僅在豎直方向上將藍(lán)莓采摘機(jī)的作業(yè)空間擴(kuò)大，而且將機(jī)器具備高處采摘的能力，取代傳統(tǒng)的梯子或升降臺(tái)來(lái)采摘藍(lán)莓。3)小臂處新增伸縮的關(guān)節(jié)，該關(guān)節(jié)不但可增大機(jī)器臂作業(yè)空間，同時(shí)配合末端執(zhí)行，降低機(jī)械臂的末端部分碰撞果樹(shù)的概論。4)一般而言，通用機(jī)械具備3個(gè)自由度（3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副），同時(shí)觀察藍(lán)莓對(duì)象的外形特征可知，藍(lán)莓外形接近標(biāo)志球形，對(duì)稱軸具有多條一般球體具備3條對(duì)稱軸，同時(shí)在種植過(guò)程中，為了增強(qiáng)藍(lán)莓的品質(zhì)，果樹(shù)經(jīng)常修剪，隨之增加了果枝之間的空隙部分，不知不覺(jué)地降低機(jī)械臂對(duì)藍(lán)莓采摘的避障精度的高要求。綜合考慮，本文設(shè)計(jì)的機(jī)械無(wú)需其腕部的自由度。同時(shí)也降低了其制作成本。總體分析，該藍(lán)莓采摘機(jī)器具備小臂伸縮和擺動(dòng)、腰部升降和轉(zhuǎn)動(dòng)、大臂仰俯共5個(gè)自由度（串聯(lián)關(guān)節(jié)型），配置情況為:P-RRR-P。機(jī)構(gòu)圖1.3所示。圖1.3藍(lán)莓采摘機(jī)械臂機(jī)構(gòu)1.4總體結(jié)構(gòu)方案在開(kāi)放式藍(lán)莓種植園露天環(huán)境下，種植園地面的摩擦系數(shù)可能因下雨、暴曬等等環(huán)境因素影響，因此履帶式底盤移動(dòng)系統(tǒng)可以保證機(jī)構(gòu)整體在種植園內(nèi)移動(dòng)的平穩(wěn)性。當(dāng)機(jī)器人在種植園內(nèi)工作時(shí)，其移動(dòng)系統(tǒng)具有自助的導(dǎo)航移動(dòng)功能，無(wú)需人為干涉進(jìn)行操作。本文的移動(dòng)履帶采用動(dòng)力源為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，同時(shí)裝備一個(gè)小型發(fā)電機(jī)，為其機(jī)械臂提供電力源以供其采摘工作。同時(shí)上端的機(jī)械臂的升降機(jī)構(gòu)整體安裝在履帶式底盤上，其中升降機(jī)構(gòu)采用連桿折疊機(jī)構(gòu)。采用交流伺服電機(jī)為其執(zhí)行中間環(huán)節(jié)的機(jī)械臂的小臂、大臂、腰部等等轉(zhuǎn)動(dòng)作為動(dòng)力源，與此同時(shí)依靠行星齒輪減速機(jī)構(gòu)伺服電機(jī)進(jìn)行減速，提高其輸出扭矩。在與末端執(zhí)行器相連的是商業(yè)化的推桿電力驅(qū)動(dòng)式作為代替其小臂的伸縮部件，同時(shí)在推桿末尾通過(guò)螺栓連接其法蘭盤對(duì)接其末端執(zhí)行器。同時(shí)本文設(shè)計(jì)實(shí)時(shí)果實(shí)收集網(wǎng)管裝置，采摘切割后的藍(lán)莓直接可掉落接口，同時(shí)經(jīng)過(guò)其柔性材料減震保持水果的新鮮度(圖3.1)。1、履帶小車；2、收集框；3、柔性帶；4、末端執(zhí)行器；5、收集裝置；6、電動(dòng)推桿；7、小臂電機(jī)；8、大臂；9、大臂電機(jī)；10、腰部電機(jī)；11、腰部；12、升降臺(tái)；13、電源機(jī)動(dòng)力控制設(shè)備；14、地面；圖3.1機(jī)器主體機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖(1)升降機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方案升降平臺(tái)為其藍(lán)莓采摘機(jī)器的臂腰部在豎直方向上的移動(dòng)可以完全改變其整體在豎直方向的位移。一定程度上，可以增大一部分機(jī)械手的作業(yè)空間，同時(shí)在采摘高處藍(lán)莓的能力也得到了增強(qiáng)，同時(shí)最大程度上避免依靠梯子或者升降平臺(tái)等等工具的使用。同時(shí)在種植園進(jìn)行采摘工作時(shí)要求其工作性能具備良好的穩(wěn)定性與易控性能等等，綜合考慮，本文放棄使用電控式，采用液壓式升降平臺(tái)，為其提供充足的壓力和平穩(wěn)性。1、液壓缸；2、齒條；3、直齒圓柱齒輪；4、上平臺(tái)；5、連桿折疊機(jī)構(gòu)；6、滑桿；7、齒輪齒條機(jī)構(gòu)；8、齒輪軸9、諧波減速器10、下平臺(tái)圖3.2液壓驅(qū)動(dòng)藍(lán)莓采摘升降平臺(tái)由此，本文設(shè)計(jì)出一套液壓自鎖藍(lán)莓升降平臺(tái)機(jī)構(gòu)(圖3.2)。該套機(jī)構(gòu)包含齒條、諧波減速器減速、液壓缸、上平臺(tái)、滑桿、直齒圓柱齒輪、連桿折疊機(jī)構(gòu)、蝸輪軸和下平臺(tái)組成部分。其中液壓缸固定在下平臺(tái)，由于液壓缸的伸縮速率不大。因此，通過(guò)液壓缸伸出的齒條和中間齒輪傳遞，完成其傳動(dòng)的方向在空間中的轉(zhuǎn)變。同時(shí)通過(guò)同一根軸，將動(dòng)力傳遞給兩側(cè)的圓柱齒輪，通過(guò)與滑動(dòng)的齒條嚙合組成齒條齒輪的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，齒條的前部分同時(shí)嚙合了滑桿的軸齒輪，同時(shí)通過(guò)滑桿鉸接與連桿折疊機(jī)構(gòu)，隨后在齒條的帶動(dòng)下，滑桿由于在下平臺(tái)的滑槽約束下進(jìn)行移動(dòng)，最后通過(guò)滑槽約束移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的升降動(dòng)作。分析其工作特點(diǎn):種植園內(nèi)實(shí)際的藍(lán)莓采摘工作工作過(guò)程中，需要設(shè)計(jì)一個(gè)自鎖保護(hù)能力確保上平臺(tái)在意外超重的情況下能夠進(jìn)行保護(hù)。假如確實(shí)該保護(hù)機(jī)構(gòu)，由此上平臺(tái)逐漸會(huì)失去支撐，輕則會(huì)造成機(jī)構(gòu)的損壞，影響機(jī)構(gòu)的壽命，情況嚴(yán)重的則會(huì)傾覆壓倒周邊工作人員，嚴(yán)重情況會(huì)傷害人類。因此在設(shè)計(jì)液壓線路時(shí)，需要接入一個(gè)溢流閥，側(cè)一個(gè)單向閥，即使有過(guò)載情況發(fā)生時(shí)，液壓缸會(huì)處于靜止?fàn)顟B(tài)，保證機(jī)構(gòu)處于不運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，所以當(dāng)卸載了過(guò)載后，上部分的平臺(tái)可以短時(shí)間進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)。同時(shí)，自鎖狀態(tài)還可保證其上部分需要達(dá)到一定的工作狀態(tài)，能夠讓其保持一定的高度，進(jìn)行一段的時(shí)間。此時(shí)，運(yùn)用該種機(jī)構(gòu)，可以在通斷PLC電路時(shí)，前后切換。保護(hù)電路，進(jìn)行切換保護(hù)電能。(2)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)方案關(guān)節(jié)型機(jī)械臂是本文藍(lán)莓采摘機(jī)械臂的集體，在工業(yè)制造方面，該款的機(jī)器人運(yùn)用較為靈活，作業(yè)空間大等等優(yōu)點(diǎn)，諸如：生產(chǎn)流水自動(dòng)化線大量用關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，工業(yè)焊接機(jī)器人。海外多家科技領(lǐng)域的企業(yè)批量生產(chǎn)，其機(jī)械臂早已商業(yè)通用化。1、腰部底座；2、大推力軸承；3、腰部面板；4、腰部減速器；5、大臂關(guān)節(jié)支架；6、大臂電機(jī)；7、大臂減速器；8、大臂空心體；9、大臂走線孔；10、小臂電機(jī)；11、小臂減速器；12、小臂關(guān)節(jié)支架；13、小臂連接坐；14、小臂伸縮關(guān)節(jié)減速器；15、小臂伸縮關(guān)節(jié)電機(jī)；圖3.4機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖同時(shí)早有將工業(yè)臂運(yùn)用到農(nóng)業(yè)果蔬采摘的領(lǐng)域機(jī)器中，這種案例也早已在內(nèi)外出現(xiàn)過(guò)，由于其成本高，重量大，尺寸的不符合，導(dǎo)致其影響果蔬采摘機(jī)器的商品化腳步，同時(shí)工業(yè)機(jī)械臂的的大抓持重量和高重復(fù)定位精度等等特點(diǎn)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域無(wú)需有如此高的要求。因此，本文相對(duì)應(yīng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出相對(duì)符合的機(jī)械臂(圖3.3)。本文的藍(lán)莓機(jī)械臂下盤底座采用了推力軸承，使其當(dāng)做在腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的支撐部件，同時(shí)較大的軸承支撐直徑在一定程度上保證了腰部的旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。雙支撐架結(jié)構(gòu)被采用到其大臂和小臂的關(guān)節(jié)處，同時(shí)考慮到軸向晃動(dòng)間隙，本文在一定程度上減少了腰部與大臂的關(guān)節(jié)，保證大臂轉(zhuǎn)動(dòng)的精度。大臂構(gòu)型選擇中間鏤空型彎件，同時(shí)設(shè)計(jì)矩形凹槽走線孔，利用該凹槽進(jìn)行安置電氣線路，讓機(jī)械臂的外觀造型，安線更加便捷。同時(shí)其伸縮機(jī)構(gòu)與小臂連接。其中連接方式采用絲杠螺母副，其減速器和其驅(qū)動(dòng)電機(jī)和與伸縮桿并聯(lián)，動(dòng)力傳輸通過(guò)頂端的齒形皮帶進(jìn)行動(dòng)力傳遞，使其為伸縮動(dòng)作過(guò)程的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通過(guò)設(shè)計(jì)，主體關(guān)節(jié)采用的動(dòng)力源為交流伺服電機(jī)，該種電機(jī)通用具備過(guò)載能力控制、矩頻特性好、精度高、等等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合行星齒輪減速器機(jī)構(gòu)進(jìn)降速。(3)末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)方案整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的巧妙性，最終由其末端執(zhí)行器的工作性能來(lái)體現(xiàn)整體設(shè)計(jì)的巧妙性。同時(shí)它也是果蔬采摘機(jī)器機(jī)構(gòu)的最主要的部分之一，將此安裝在伸縮節(jié)的末端，在種植園進(jìn)行采摘作業(yè)時(shí)，機(jī)械臂先讓末端執(zhí)行器先靠近移動(dòng)到果實(shí)對(duì)應(yīng)的易采摘點(diǎn)，再通過(guò)軟件控制器末端執(zhí)行器，聯(lián)合完成藍(lán)莓采摘作業(yè)的任務(wù)。國(guó)內(nèi)外主流采摘有多種，但是主流方式為兩種，第一種采用吸附式吸盤，通過(guò)空氣差將果實(shí)吸住，然后再將果柄用類剪刀式剪斷，但是該種方法必須保證檢測(cè)出果柄的具體確切位置，同時(shí)利用軟件進(jìn)行控制，密切調(diào)整好其末端執(zhí)行器的連貫動(dòng)作，上述分析可知，該過(guò)程需要進(jìn)行復(fù)雜的動(dòng)作算法和編程控制，一定程度上是增加了其制造和開(kāi)發(fā)的難度。第二種是采用腕關(guān)節(jié)的在2個(gè)互相垂直的方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而來(lái)模擬人類手臂的掰斷果柄樹(shù)枝的動(dòng)作來(lái)完成采摘工作，但是其對(duì)象還需要求其果枝與果實(shí)容易區(qū)分，具有一定數(shù)量的分離，一定程度上還是限制了采摘對(duì)象的通用性。通過(guò)觀察藍(lán)莓的外形特征，一定程度上進(jìn)行實(shí)用化的要求，本文設(shè)計(jì)出了一種球體果實(shí)的采摘末端執(zhí)行器，其結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。該果實(shí)的采摘末端執(zhí)行器包含傳感控制系統(tǒng)、切割裝置、氣動(dòng)系統(tǒng)和夾持機(jī)構(gòu)4大部分。其中，夾持系統(tǒng)是四大組成部分的重要部分之一，所以其設(shè)計(jì)部分必須考慮其藍(lán)莓的特性。本文的夾持部分包含：手指轉(zhuǎn)軸、右手指、左手指、銷軸、導(dǎo)桿、活塞桿、雙作用微型氣缸、手指支架8大部分組成。其中雙作用微型氣缸可進(jìn)行伸縮運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)原理為驅(qū)動(dòng)其和螺紋連接的活塞桿導(dǎo)桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。直流電機(jī)；2、微型蝸輪蝸桿減速器；3、鋼絲繞盤；4、鋼絲；5、微型雙作用氣缸；6、手指支架；7、活塞缸；8、導(dǎo)桿；9、銷軸；10、23、滾輪組；11、視覺(jué)傳感器；12、切割轉(zhuǎn)盤；13、轉(zhuǎn)盤軸；14、刀架；15、壓力傳感器；16、海綿材料；17、橡膠材料；18、光電開(kāi)關(guān)；19、雙面刀片；20、21、左右手指；22、觸覺(jué)傳感器；24、限位開(kāi)關(guān)；25、手指轉(zhuǎn)軸；圖3.4末端執(zhí)行器機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖同時(shí)其中導(dǎo)桿的末端設(shè)計(jì)有小孔，左右的手指末尾具有與銷軸寬度相同的滑槽，安裝過(guò)程中，銷軸會(huì)接連穿插小孔和滑槽，這樣一來(lái)使其導(dǎo)桿能夠進(jìn)行直線的伸縮運(yùn)動(dòng)，最后利用銷軸來(lái)驅(qū)動(dòng)左右的手指繞轉(zhuǎn)軸從而進(jìn)行擺動(dòng)。此結(jié)構(gòu)能夠轉(zhuǎn)化活塞桿的直線為兩個(gè)手指的左右擺動(dòng)，從而進(jìn)一步完成兩個(gè)手指的抓取和放松藍(lán)莓的連續(xù)動(dòng)作。設(shè)計(jì)過(guò)程中，本文的手指內(nèi)輪廓曲線大致在藍(lán)莓曲面曲率大致吻合，同時(shí)在其內(nèi)表面安裝有一層柔性的海綿，同時(shí)在海綿的基礎(chǔ)上再采用橡膠進(jìn)一步覆蓋，最大程度上確保其在抓取藍(lán)莓的同時(shí)誤傷果實(shí)，再者利用橡膠的大摩擦系數(shù)，使其抓取過(guò)程更加穩(wěn)定。其中，執(zhí)行切割樹(shù)枝動(dòng)作的切割系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)也是重要組成部分之一。其包含雙面刀片、刀架、切割轉(zhuǎn)盤、滾輪組1、滾輪組2、鋼絲、鋼絲繞盤、微型蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)和12V直流電機(jī)等9大小部分組成。同時(shí)通過(guò)其微型蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)將其12V直流電機(jī)進(jìn)行一定程度的減速，鋼絲纏繞在鋼絲轉(zhuǎn)盤，接著繞過(guò)滾輪組1和滾輪組2，按螺紋軌道在切割轉(zhuǎn)盤上環(huán)繞，接著刀架和鋼絲固結(jié)在一起。其中，末端的刀架和雙面刀片是便攜式可拆卸，即使使用過(guò)程損壞，刀片工作可隨時(shí)進(jìn)行，快捷方便。通過(guò)12V直流電機(jī)的動(dòng)力，將其轉(zhuǎn)矩傳遞給刀片，刀片利用其繞手指的周向旋轉(zhuǎn)，從而順勢(shì)將其藍(lán)莓柄割斷，完成最后的收割動(dòng)作。傳感系統(tǒng)是末端執(zhí)行器的眼睛，較為精密的部分。其中傳感系統(tǒng)包含限位開(kāi)關(guān)、觸覺(jué)傳感器、微型視覺(jué)傳感器、壓力傳感器、光電位置開(kāi)關(guān)等等5部分。其中對(duì)射式紅外線光電管是光電位置開(kāi)關(guān)主要部件，將其安放在手指前后，其主要功能作用為收集電平信號(hào)，同時(shí)將電平