一、选题名称：
简易型水果采摘机
二、选题背景：
随着时代的发展，国民生产总值的增长，我国的经济总量正在持续增长，而农业在人们的生活中扮演着重要的角色，它是人们生活的最基本保障，农业的发展也成了人们生活水平的伊个重要标志。现代农业向着机械化的时代发展，机械正在逐渐代替人们原始的劳动工具和原始的劳动方法，而且现代农业正呈现着前所未有的发展潜力，机械化的农业时代具有效率高、安全、便捷的特点。在黄土高原上和其他地方有很多果农，他们用自己朴实的劳动为现代大城市的人们培育了大量的优质水果，但是一直以来在很多地方，人们还用着原始的人工采摘方法，现代的大型采摘机器又太过昂贵，人们在考虑自己的经济利益的同时不得不放弃机械采摘的高效率方法。鉴于大多数农民不能承受大量的经济压力，从而设计简易的水果采摘机，方便农民采摘水果，也提高了农民的工作效率。
现在市面上的水果采摘机品种繁多，已申请专利的有二十个左右，每个产品有各自的特点，价格也大相径庭，人们有很多的选择余地;电动、手动、自动的，但是大多数体积都比较笨重，人本在采摘过程中有不适应感。简易水果采摘机的原理很简单，和剪刀的原理是相同的杠杆原理。人们用手里的手柄就可以简单的采摘果树高处的水果，结构简单，容易操作，安全舒适，可以实现不同高度和不同大小水果的采摘，而切还可以执行水果套袋任务，同时把执行机构的支架用作喷洒农药的支撑结构，实现了多用途。如果投放市场可以成为果农的好选择！该简易水果采摘机也有不足的地方，结构简单，是非自动的···如果人们举着时间过长会有疲劳酸痛的感觉，而且水果在输送带里面可能会有擦伤，损坏水果造成不必要的经济的损失。简易水果采摘机与其他同类机器相比结构简单，价格便宜，容易操作，而且可以满足不同高度的水果采摘任务。把人们常见的、普通的剪刀杠杆原理利用进来，实现了农业的需求，果农都能接受，是他们的最佳选择.
三、方案的总体描述、拟实现的功能与应用场合及特点：
（1）、方案的总体描述：
总是在农村看见农民很吃力的爬上果树，或者站在梯子上进行水果，一方面不安全，另一方面对果树的树皮也不好。为此设计简易水果摘机。该水果采摘机最大的特点就是简易、方便、便宜、该水果采摘机结构简单，其中包括操作手柄1，工作杆2，反弹弹簧
3，执行机构架4，手柄架5，执行采摘刀片6，水果运送带7。其中执行机构架的B段和运动杆是可伸缩杆，用以满足不同高度的采摘任务。当果农驱动操作手柄的时候，根据杠杆原理，可驱使执行采摘刀片进行剪切，水果被剪切后，顺着用棉质材料制成的水果运送带掉进水果筐里面。棉质的水果运送带可保证水果表面不受摩擦，从而保证了水果的质量和质地。
（2）、该发明拟实现的功能：
通过简易水果采摘机可以实现简单方便地采摘任务，而且要实现不同高度的水果采摘任务;对于不同大小的水果也要有不同的水果采摘口来适应不同大小水果的采摘，为保证水果鲜美和不被昆虫破坏，该采摘机在换掉说过采摘刀片的时候，可以实现水果套袋；换上农药喷头的时候还可以实现高位水果喷洒农药的完成。当设计更多到头的时候可以实现不同水果用一种机器采摘，真正实现多用途，提高农民的工作效率和现代农业的机械化程度。
（3）、产品的应用场合及其特点
应用场合：大中小型果园的水果采摘，对于苹果、桃子、鸭梨、杏、李子等类球形水果的采摘，水果树木高大，高位水果不易采摘，人工采摘费时费力的情况下，均可使用该简易型水果采摘机。对于高位的水果农药喷洒任务，高位、树枝头等人不易够得着的水果套袋任务。
特点：与以前的水果采摘机相比，该型水果采摘机有简单、容易操作、价格便宜、用途较多，机器采摘对水果的损伤小，机器材质都用塑料制成，轻便，采摘效率高而且到头等可以进行二次更换，产品的利用率提高。
四、工作原理与结构：
（1）、工作原理及工作原理图:
该水果采摘机结构简单，其中包括操作手柄1，工作杆2，反弹弹簧3，执行机构架4，手柄架5，执行采摘刀片6，水果运送带7。其中执行机构架的B段和运动杆是可伸缩杆，用以满足不同高度的采摘任务。当果农驱动操作手柄的时候，根据杠杆原理，可驱使执行采摘刀片进行剪切，水果被剪切后，顺着用棉质材料制成的水果运送带掉进水果筐里面。棉质的水果运送带可保证水果表面不受摩擦，从而保证了水果的质量和质地。当果农把采摘刀片更换为套袋装置，便可以进行水果的套袋工作，方便快捷，效率高。同时果农也可以用采摘机的执行架作为支架进行农药喷洒工作，综上所诉，该简易型水果采摘机实现了农业生产中的不同工作的集中化。
简易型水果采摘机原理示意图
（2）、分析计算：
N=3, ph=4 所以：该执行机构的自由度为：
f=3x3—2x4=1
即该机构具有唯一的运动方式一般水果树的高度在3—4米之间，所以该机构操作杆的长度也应该设置在该高度范围左右，又由于执行杆和支撑杆都市可伸缩杆，所以该产品的正常状态下的长度为1米左右。这两个杆设置为四个短节，拉长后可达到果树的高度。对于水果运送带，由于它必须通到地面且为防止与地面发生严重的碰撞，所以运送带要比执行杆长1米左右，即就是运送带在5米左右的长度。到头的直径要比一般水果大，设置为12cm左右即可。
三、其余说明：
该水果采摘机的刀头是圆形的，半径在12—15cm左右,两个刀片都为半圆形的；套袋的刀头与采摘刀头是不一样的，设计为可以拖住水果套袋，且要能够自动将套袋口封住；将刀架去掉后可以安装农药喷头进行农药喷洒，执行机构架可作为农药喷洒管的支撑机构拖住管子。由该采摘机还可以衍生出其他的水果采摘机，只需要将刀架口和刀头
改变一下。
五、总结：
（1）、采用的的思维方法和技巧
#智力激励法:每个发明创造都离不开智力的激励，每个人的智都是有待开发的，做这次创新论文，同样我的智力得到了激发。刚开始没有一点思路，但是当自己坐下来慢慢想的时候就可以萌生出许多想法，然后再联系实际生活，把想到的东西啊想着把他引用到实际生活中去，看到的东西都可以激发自己的智力，只要好好想。
#类比法：类比法是指用待发明创造的对象与某一具有同一属性的已知事物进行对照类比，以便从中得到启发从而进行发明创造。以前的水果采摘机品种多，各有千秋，但是相比下来，他们都有一个通病，就是比较笨重和繁琐，用起来不方便，所以自己感觉发明一种简易的水果采摘机是很有必要的。
#设问法：设问法是通过有关问题的形式去发现事物的症结所在并继续发明创造的一类技法。在此次创造过程中，我多次反问自己。刚开始就想着他能够采摘水果就可以了，但是最后发现不仅可以采摘水果，还可以实现水果套袋机械化，还在问自己有没有其他的用途，最后发现还可以用来喷洒农药，由当初的单一功能扩展到三个功能。刚刚开始我想把机器的执行机构架用钢铁做成，后来发现如果用钢铁的话会比较重，所以反思一下其实用硬塑料就可以了。
（2）、体会：
这是一次对我们来说这是一个比较难的任务，因为以前就没有过这么比较专业的论文写作。从开始想做什么课题就比较难，但是经过冥思苦想，联系生活实际，想出了水果采摘机这一个想法。从开始背景描述，后面的描述都是比较的难的,但是自己还是通过一步步想，最后将这个任务完成。通过这次作业，我感觉到科学的严谨和神秘，每一步的计算都要很仔细，一个产品的问世要经过很多的步骤和很多的努力。同时在这个过程中也锻炼了自己的思维，也是一个应用专业只是解决问题的过程，对自己是一个小的锻炼，对自己以后走上工作岗位也是一个借鉴。
六、参考文献：
1、徐斌，便携式水果分级采摘器的原理及应用。内蒙：《现代农业科技》2007年第13期
2、卢伟; 宋爱国; 蔡健荣; 孙海波; 陈晓颖，采摘机器人结构设计及运动学算法。东南大学学报(自然科学版)，2011年1月。
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910369070.7 (22)申请日 2019.05.05 (71)申请人 安徽工程大学 地址 241000 安徽省芜湖市鸠江区北京中 路8号 (72)发明人 高洪 孙孟洋 王亚军 贡军 段陈义 王永强 方啸宇 代贡献 叶凯强 (74)专利代理机构 芜湖安汇知识产权代理有限 公司 34107 代理人 朱顺利 (51)Int.Cl. A01D 46/24(2006.01) G06F 17/50(2006.01) (54)发明名称水果采摘机果柄切割装置的设计方法(57)摘要本发明公开了一种水果采摘机果柄切割装置的设计方法，包括步骤：S1、提供固定盘、由多个切割刀片组成的刀片组及相对于固定盘可旋转且用于控制切割刀片进行旋转的旋转盘；处于打开状态的刀片组的中心处形成有让水果通过的第一避让孔；S2、根据固定盘的第二避让孔的直径和旋转盘的定位孔的直径，确定刀片本体的刀口的弦长；S3、根据固定盘的第二避让孔的直径，确定切割刀片的第一销轴的轴心与第二销轴的轴心之间的距离；S4、根据固定盘的第二避让孔的直径和切割刀片的第一销轴的轴心与第二销轴的轴心之间的距离，确定旋转盘的转角。采用该方法设计的水果采摘机果柄切割装置可以使果柄很好的定位被切断，减少采摘时对水果造 成的损伤。权利要求书2页 说明书10页 附图6页CN 110063136 A 2019.07.30 C N 110063136 A
权 利 要 求 书1/2页CN 110063136 A 1.水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，包括步骤： S1、提供固定盘、由多个切割刀片组成的刀片组及相对于固定盘可旋转且用于控制切割刀片进行旋转的旋转盘；处于打开状态的刀片组的中心处形成有让水果通过的第一避让孔； S2、切割刀片设计成具有刀片本体以及与刀片本体连接的第一销轴和第二销轴，旋转盘设计成具有让第一销轴插入的导向孔，固定盘设计成具有让第二销轴插入的安装孔和让水果通过的第二避让孔； 根据固定盘的第二避让孔的直径D1和旋转盘的定位孔的直径D2，确定刀片本体的刀口的弦长l1， S3、根据固定盘的第二避让孔的直径D1和固定盘的内直径D3，确定切割刀片的第一销轴的轴心与第二销轴的轴心之间的距离l2， S4、根据固定盘的第二避让孔的直径D1和切割刀片的第一销轴的轴心与第二销轴的轴心之间的距离l2，确定旋转盘的转角α， 2.根据权利要求1所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，90°＜θ≤120°。 3.根据权利要求1或2所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，所述导向孔设计为圆弧形孔，导向孔的长度大于所述第一销轴的直径且导向孔的轴线与第一销轴的轴线相平行。 4.根据权利要求3所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，对于周向上相邻的两个切割刀片，让其中一个切割刀片的第一销轴插入的导向孔的轴线与另一个切割刀片的第二销轴的轴线共线，导向孔以位于其径向上的第二销轴的圆心为圆心。 5.根据权利要求1至4任一所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，所述旋转盘上设有拨柄，拨柄用于承受外界施加的使旋转盘旋转的旋转力矩，所述固定盘设计成具有让拨柄穿过的第三避让孔。 6.根据权利要求1至5任一所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，所述固定盘设计成具有第一盘体和设置于第一盘体上的凸台，凸台设计成插入定位孔中，所述第二避让孔为在凸台上贯穿设置的圆孔，所述切割刀片通过第二销轴与凸台转动连接。 7.根据权利要求6所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，所述固定盘设计成还具有与所述第一盘体连接的外檐和与第一盘体相对布置的第二盘体，第一盘体和第二盘体均为圆盘状结构且第一盘体和第二盘体为同轴设置。 8.根据权利要求7所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于，所述外檐为圆环形结构且外檐与所述第一盘体和第二盘体的外边缘连接，外檐与第一盘体和第二盘体为同轴设置，所述切割刀片位于第二盘体和所述凸台之间。 9.根据权利要求1至8任一所述的水果采摘机果柄切割装置的设计方法，其特征在于， 2
水果采摘机械手的设计 发表时间：2019-07-29T10:22:58.127Z 来源：《基层建设》2019年第14期作者：李永峰闫晓桂王光宇裴福玉 [导读] 摘要：机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。 哈尔滨远东理工学院黑龙江哈尔滨 150025 摘要：机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、电子轻工和原子能等部门。由于机械臂在各行各业中得到了愈来愈广泛的应用，机械臂控制的多样化、复杂化的需要也随之日趋增多。作为当今科技领域研究的一个热点，提高机械臂的控制精度、稳定性、操作灵活性对于提高其应用水平有着十分重要的意义。在原有机械手上进行PLC等设计可使机械手实现自动化定位控制丶自动化工作等。通过重新编程序可使其变成多功能机器。 关键词：采摘；机械手；水果 1、机械手的发展趋势 机械手是集机械、电子、控制、计算机、信息等多学科交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机械手的主要发展方向如下： 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化：由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。 机械手控制系统向基于pc机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构：大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。 虚拟现实技术在机械手中的作用从仿真、预演向用于过程控制发展，如使遥控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手 2、设计水果采摘机械手的作用 据统计，2017年全国水果总产量（不含瓜果类，下同）达到1.82亿吨，比1978年增长26.7倍，年均增速8.9%。自1994年以来，我国水果总产量稳居世界第一。但目前存在果园人力不足、采摘效率低、有时因为采摘不及时水果坏掉、果子结在高处人工面临着高空采摘的危险等问题，而一切采摘过程目前都由人工采摘，在我国机械化的采摘目前处于空白期，即使有机械化机器的投入和使用也是个别体，且机器的投入成本往往很大，果农无法承担此高昂的成本使用该器械。 果实的采摘是一个季节性较强和劳动密集型的工作，采摘作业所用劳动力占整个生产过程所用劳动力的33% ～50%，采摘作业比较复杂，季节性很强，若使用人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且容易造成果实的损伤。使用采摘机械不仅提高采摘效率，而且降低了损伤率，节省了人工成本，提高了果农的经济效益。 目前而言我国是世界水果生产大国，但在果园管理程度不高（尤其是机械化采摘果品）由于人口老龄化和农村劳动力越来越少，在单调、繁重、危险的果实采摘作业上急需高效、通用、低成本的采摘技术，而智能化技术的出现和应用让人们的生活变得更加方便快捷，与传统机械臂相比，拥有智能化，仿生化等技术的机械臂操作起来更加简单方便快捷，运用起来也更加灵活多变，智能制造技术是未来先进制造技术发展的必然趋势，是抢占产业发展的制高点必胜法则。 3、水果采摘机械手的整体方案设计 为了使机械手的通用性更强，把机械手的手部结构设计成可更换结构，当工件是棒料时，使用夹持式手部。考虑到机械手的通用性，同时由于被抓取物件位置的不确定性，因此手腕必须设有回转运动才可满足工作的要求。因此，手腕设计成回转结构，实现手腕回转运动。按照抓取工件的要求，本机械手的手臂有三个自由度。 由于系统的动作迅速，反应灵敏，阻力损失和泄漏较小，成本低廉因此本机械手采用机械传动方式。考虑到机械手的通用性，同时使用点位控制，因此我们采用可编程序控制器（PLC）对机械手进行控制。当机械手的动作流程改变时，只需改变PLC程序即可实现，非常方便快捷。 4、水果采摘机械手的设计内容 语音驱动技术：利用语音识别系统，声电转化系统，电路系统等，对采集的目标语音进行处理，将发出的声音指令进行信息化处理，最后由指令声响效果激发拾音器进行声电转换来控制用电器的开关，并经过延时后能自动断开电源，从而达到声控制动的效果。 传感技术：在机器上安装相应的传感器，使其达到预想的结果。红外传感：检测物体信息执行动作；声音传感：检测声音执行动作；倾角传感器：用倾斜角度的大小来实现对机器的旋转。 开发无人操控，将机器开发为可人为控制和自行运行模式，运用单片机编程技术，和红外传感技术，对机器进行软件编程，在无人操作下，开启自动运行，实现对果物的自行摘取。 体感技术：运用体感技术，以达到人机合一的效果。 机器驱动设计：由于工作环境不用，对机器行驶要求不同，而在果园大都为凹凸不平的土质地面，所以在驱动方面采用履带式设计，其好处在于其可以减少路况对机器行驶的限制，可以在恶劣路况下完成工作。 电源设备的改进及应用：由于产品最终投入果园进行长运作，而又要确保对环境的保护，在确保不影响环境的情况下动力的选用尤为重要，供电设备的选用也将是研究的重之重。 设备的安全性：通过对设备机体结构的设计，确保其在运行过程中能够安全稳定的工作，并要对线路的安排布置也要做出相应的措施。并要对设备加装一些应急错失和短路保护装置。 5、结束语 本次设计的机械手，相对于专用机械手，通用机械手的自由度可变，控制程序可调，因此适用面更广。动作迅速，反应灵敏，能实现过载保护，便于自动控制。工作环境适应性好，不会因环境变化影响传动及控制性能。阻力损失和泄漏较小，不会污染环境。同时成本低
水果采摘装置设计 0文献综述 0.1水果采摘实现机械化的必然趋势 在水果的生产作业中，收获采摘是整个生产中最耗时最费力的一个环节。 水果收获期间需投入的劳力约占整个种植过程的50%~70%采摘作业质量的好 坏直接影响到水果的储存、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。水果收获具有很强的时效性，属于典型的劳动密集型的工作。但是由于采摘作业环境和操作的复杂性，水果采摘的自动化程度仍然很低，目前国内水果的采摘作业基本上还是手工完成。在很多国家随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，劳动力不仅成本高，而且还越来越不容易得到，而人工收获水果所需的成本在水果的整个生产成本中所占的比例竟高达33%~50%高枝水果的采摘还带 有一定的危险性。因此实现水果收获的的机械化变得越来越迫切，发展机械化的收获技术，研究开发水果采摘机器人具有重要的意义。 研究和开发果蔬收获的智能机器人技术对于解放劳动力、提高劳动生产效率、降低生产成本、保证新鲜果蔬品质，以及满足作物生长的实时性要求等方面都有着重要的意义。采摘机器人是未来智能农业机械化的发展方向，具有广阔的应用前景。2004年11月1日颁布施行的《中华人民共和国农业机械化促进法》还明确规定国家采取措施鼓励，扶持农业机械化的发展，机械采摘取代手工作业是必然的发展趋势。 0.2国外水果机械化采摘装置研究进展及现状 水果的机械化收获技术已有40余年的研究历史。收获作业的自动化和机器人的研究始于20世纪60年代的美国，1968年美国学者Schertz和Brown首次提出应用机器人技术进行果蔬的收获，当时开发的收获机器人样机几乎都需要有人的参与，因此只能算是半自动化的收获机械。采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式，其缺点是果实易损，效率不高，特别是无法进行选择性的收获。 从20世纪80年代中期开始，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，以日本为代表的西方发达国家，包括美国、英国、法国、荷兰、以色列、西班牙等国家，都在水果采摘机
水果采摘机械手的设计 摘要：机械手能模仿人手和臂的某些动作功能，用以按固定程序抓取、搬运物 件或操作工具的自动操作装置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自 动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于机械制造、冶金、 电子轻工和原子能等部门。由于机械臂在各行各业中得到了愈来愈广泛的应用， 机械臂控制的多样化、复杂化的需要也随之日趋增多。作为当今科技领域研究的 一个热点，提高机械臂的控制精度、稳定性、操作灵活性对于提高其应用水平有 着十分重要的意义。在原有机械手上进行PLC等设计可使机械手实现自动化定位 控制丶自动化工作等。通过重新编程序可使其变成多功能机器。 关键词：采摘；机械手；水果 1、机械手的发展趋势 机械手是集机械、电子、控制、计算机、信息等多学科交叉综合，它的发展 和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机械手的主要发展方向如下：机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、 检测系统三位一体化：由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外 已有模块化装配机器人产品问市。 机械手控制系统向基于pc机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构：大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。 机械手中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感 器外，装配、焊接机械手还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机械手则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制。 虚拟现实技术在机械手中的作用从仿真、预演向用于过程控制发展，如使遥 控机械手操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机械手 2、设计水果采摘机械手的作用 据统计，2017年全国水果总产量（不含瓜果类，下同）达到1.82亿吨，比1978年增长26.7倍，年均增速8.9%。自1994年以来，我国水果总产量稳居世界第一。但目前存在果园人力不足、采摘效率低、有时因为采摘不及时水果坏掉、 果子结在高处人工面临着高空采摘的危险等问题，而一切采摘过程目前都由人工 采摘，在我国机械化的采摘目前处于空白期，即使有机械化机器的投入和使用也 是个别体，且机器的投入成本往往很大，果农无法承担此高昂的成本使用该器械。 果实的采摘是一个季节性较强和劳动密集型的工作，采摘作业所用劳动力占 整个生产过程所用劳动力的33% ～50%，采摘作业比较复杂，季节性很强，若使 用人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且容易造成果实的损伤。使用采摘机械 不仅提高采摘效率，而且降低了损伤率，节省了人工成本，提高了果农的经济效益。 目前而言我国是世界水果生产大国，但在果园管理程度不高（尤其是机械化 采摘果品）由于人口老龄化和农村劳动力越来越少，在单调、繁重、危险的果实 采摘作业上急需高效、通用、低成本的采摘技术，而智能化技术的出现和应用让 人们的生活变得更加方便快捷，与传统机械臂相比，拥有智能化，仿生化等技术 的机械臂操作起来更加简单方便快捷，运用起来也更加灵活多变，智能制造技术 是未来先进制造技术发展的必然趋势，是抢占产业发展的制高点必胜法则。 3、水果采摘机械手的整体方案设计
一种小型高空电动水果采摘机械手装置设计 发表时间：2018-10-17T09:46:53.860Z 来源：《基层建设》2018年第27期作者：祝怀志沈璐鹏叶国江 [导读] 摘要：水果采摘机器人在我国起步晚、发展缓慢，没有系统的方法用以设计采摘机械手，本文根据柑橘生产活动中完成果实采摘整个过程的的具体条件，首先运用所学知识进行机构尺寸的设计；然后创新设计内嵌式关节采摘机械手所有零部件的具体合理尺寸；接着根据机械手的工作方式选择合理的连接方式并通过创建合理约束完成机械手的装配。 衢州职业技术学院浙江衢州 324000 摘要：水果采摘机器人在我国起步晚、发展缓慢，没有系统的方法用以设计采摘机械手，本文根据柑橘生产活动中完成果实采摘整个过程的的具体条件，首先运用所学知识进行机构尺寸的设计；然后创新设计内嵌式关节采摘机械手所有零部件的具体合理尺寸；接着根据机械手的工作方式选择合理的连接方式并通过创建合理约束完成机械手的装配。 关键词：柑橘采摘机械手；内嵌式关节；机械设计 1.引言 近年来，随着全球经济的发展，果蔬供应需求日益增大。作为一个多类型果蔬生产的大国，果蔬的生产对全国的农业乃至国家的经济发展有着不过或缺的重要作用。为了适应时代的需求，在国家的鼓励号召下，全国大部分的果蔬生产已经成功进行了转型，由原来的小型散户种植变成了更加科学化，规模化，可控化的果蔬种植园，而全国果蔬的生产总量也得到了量和质的突破。可是相对经营方式的成功转型，在果蔬生产活动中，几乎占整个生产活动工作量的80%消耗于水果采摘过程，在很大程度的扼制着全国果蔬经济的发展。大量人力资源的投入不仅生产率没得到保障，就连生产质量也是不尽人意，而且艰苦的工作条件常使采摘人员工作中图中发生意外，导致人员受伤。为了提高果蔬采摘的效率，解放劳动力，保证水果采摘的质量，设计一款轻巧，灵便，满足工作条件的水果采摘机械手变得迫切且意义重大。 2.机械手设计 机械手是人们为了完成某些特定的生产活动，通过观察人类手臂的移动和手掌的抓举仿生设计出来的可控的机械系统，其一般包括由实现灵活移动的移动机构（手臂）和实现最终生产活动的执行末端（手掌）组成。机械手的灵活程度在很大程度上取决于机械手的自由度数和控制系统。自由度越多的机械手一般运动起来更加的灵活，人类的整个手部就是一个具有二十多个自由度的精巧结构。不过自由度越多，机械手控制起来就会变得越复杂，而人类之所以能够灵活的使用自己的手，是因为有上亿神经系统的精密控制。所以在设计机械手时，合理的选择机械手的自由度和完善控制系将决定它最终的成败。 2.1柑橘采摘机械手的系统构成 为了实现柑橘果实采摘活动，并在满足工作条件的情况下有尽可能大的工作空间，机械手必须满足俯仰，旋转等运动，所以机械手必须是多自由度的。图1为其简易结构示意图。 图1结构示意图 在图2-1中，1是控制计算机；2是底座；3是腰部；4是大臂；5是小臂。在采摘过程中，机械手在伺服电机的带动下，通过腰部的旋转，大小臂的俯仰将机械手的末端定位到所需要采摘的柑橘位置，然后通过末端的执行机构实现果实的采摘。 2.2 柑橘采摘机械手的材料选定 在柑橘采摘的整个生产活动中，由于机械臂并不需要受很大的力，为了更好的适应复杂的果园环境整体机构尽量灵巧轻便，另外考虑到制造的成本问题，综上几点，选择密度相对较低，但强度较高的铝合金为制造机械手的材料。以下是几种型号铝合金的性能参数表1。表1 铝合金性能参数表 为了满足机械臂对强度的要求以及尽可能的是机械手轻巧，优先选牌号为6061的铝合金作为机械手的材料。 2.3 基于果园环境的机械手CAD模拟 模拟原则：假设机械手是安装在履带式的行走机构上，在采摘过程中，当行走机构带着机械手靠近果树边沿时，要使机械手能成功采摘到果树上的所有成熟果实，在腰部旋转机构固定时，必须使其工作空间能够覆盖其半剖面，如图2。 2.4 机械手关节处伺服电机 设计一种将伺服电机内嵌于关节内部的机械手，不仅可以大幅减小机械手的体积使机械手整体看起来更加小巧精简，而且可以避免外
水果采摘装置设计
水果采摘装置设计 0文献综述 0.1水果采摘实现机械化的必然趋势 在水果的生产作业中，收获采摘是整个生产中最耗时最费力的一个环节。水果收获期间需投入的劳力约占整个种植过程的50%~70%。采摘作业质量的好坏直接影响到水果的储存、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。水果收获具有很强的时效性，属于典型的劳动密集型的工作。但是由于采摘作业环境和操作的复杂性，水果采摘的自动化程度仍然很低，目前国内水果的采摘作业基本上还是手工完成。在很多国家随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，劳动力不仅成本高，而且还越来越不容易得到，而人工收获水果所需的成本在水果的整个生产成本中所占的比例竟高达33%~50%。高枝水果的采摘还带有一定的危险性。因此实现水果收获的的机械化变得越来越迫切，发展机械化的收获技术，研究开发水果采摘机器人具有重要的意义。 研究和开发果蔬收获的智能机器人技术对于解放劳动力、提高劳动生产效率、降低生产成本、保证新鲜果蔬品质，以及满足作物生长的实时性要求等方面都有着重要的意义。采摘机器人是未来智能农业机械化的发展方向，具有广阔的应用前景。2004年11月1日颁布施行的《中华人民共和国农业机械化促进法》还明确规定国家采取措施鼓励，扶持农业机械化的发展，机械采摘取代手工作业是必然的发展趋势。 0.2国外水果机械化采摘装置研究进展及现状 水果的机械化收获技术已有40余年的研究历史。收获作业的自动化和机器人的研究始于20世纪60年代的美国，1968年美国学者Schertz和Brown首次提出应用机器人技术进行果蔬的收获，当时开发的收获机器人样机几乎都需
水果采摘机械手装置设计与仿真 摘要 近年来，随着全国经济的持续发展，人们对果蔬的需求越来越大。在我国的果蔬生产中，柑橘生产所的占比重日益增大。而在整个柑橘生产活动中，柑橘的采摘所占的工作量十分巨大。除此之外，水果采摘质量的好坏还将直接影响到水果的保鲜储藏，运输配送等后续工作，并最终将严重影响到经济效益。如果继续延续原始的手工采摘，不仅工作环境十分的艰苦，效率低下，而且水果采摘质量也得不到保障，更甚至时有采摘工作者在采摘过程中因为环境的复杂不小心从树上摔下而受伤的事故发生。为了适应当代果蔬经济的发展，设计一种多自由度，满足工作空间的小型柑橘采摘机械手对实现农业自动化和提高经济效益具有重要意义。 根据柑橘生产活动中完成果实采摘整个过程的的具体条件，首先运用所学知识进行机构尺寸的设计；然后创新设计内嵌式关节采摘机械手所有零部件的具体合理尺寸；再按照设计的零件图通过Pro/E三维造型出机械手的所有零部件；接着根据机械手的工作方式选择合理的连接方式并通过创建合理约束完成机械手的装配；最后通过选用Pro/E 中的机构模式，经过旋转轴的自定义，伺服电机的添加，定义初始条件等完成机械手的运动仿真。 关键词：柑橘采摘机械手，内嵌式关节，Pro/E三维造型，运动仿真
Abstract In recent years, with the continuous development of economy, the proportion of citrus production in fruit and vegetable production is growing in our country. In the entire citrus production activities, the workload of citrus picking is very big. What’s more, the quality of fruit picking will directly affect the fruit storage, transportation and other follow-up work ,which eventually has serious influence on the economic benefit. If we continue to use the original manual picking, not only working environment is very difficult, working inefficient, but also the quality of fruit picking is not guaranteed .what’s worse, the fruit picking workers maybe fell from the trees and injured accidentally because the environment is very complex in the process of picking . In order to adapt to the development of contemporary economic fruit and vegetable, it is of great significance to agricultural automation realized and improving the economic benefit that designing a kind of small citrus picking manipulator with the features of multi-degree of freedom and satisfied the working space. According to the specific conditions of the whole process of fruit picking in citrus production activities, at first ,using the acquired knowledge to creatively design all parts of embedded citrus picking manipulator joints with reasonable size. Then according to the design of the part drawing shapes all parts of the manipulator through the Pro/E 3d modeling software. Next choosing the reasonable connection according to the workings of a manipulator and creating a reasonable constraint to complete the assembly of the manipulator. Finally ,through choosing mechanism model in Pro/E, after the axis of rotation of the custom, the adding of the servo motor and defined the initial conditions to complete the motion simulation of the manipulator. Keywords: citrus picking manipulator, embedded joints, Pro/E 3d modeling , motion simulation
苹果采摘机械人结构设计 水果采摘费用高且劳动量大，为了快速且准确完成苹果采摘任务，需要进行水果采摘机械人结构设计。首先进行采摘机械机构选型，确定合适自由度；其次，依据典型果树轮廓确定采摘臂结构尺寸，绘制采摘机械手臂零件图和装配图；最后，搭建采摘机械人结构试验台，进行实体运动和抓取实验对设计效果进行验证。试验结果表明，该设计方案基本能够达到预期。该设计方法，对农业领域其他类型采摘机械手设计有一定参考价值。 标签：采摘机械手臂；苹果；结构设计 引言 水果采摘季节性强、费用高且劳动量大[1]。加速农业现代化进程，实施“精确”农业，广泛应用农业机器人，提高资源利用率和农业产出率，降低劳动强度，提高经济效率将是现代农业发展的必然趋势。研究采摘机械人，对于降低人工劳动强度和采摘成本、保证水果适时采收，具有重大的意义[2]。我国从上世纪70年代开始研究水果蔬菜类的采摘机械，并且也逐渐起步，如上海交通大学已经开始了对黄瓜采摘机器人的研制[3]，浙江大学对番茄采摘机器人进行了结构分析与设计的优化[4]，中国农业大学对采摘机器人的视觉识别装置进行了研究[5]。目前，我国研究的采摘机器人还有西红柿、橘子、草莓、荔枝和葡萄采摘机器人等[6-8]。文章对苹果采摘机械手臂进行选型，进一步进行详细结构设计，最后对设计结果进行试验验证。 1 机械人机构选型及自由度的确定 由于采摘机械人的作业对象是苹果，质量轻，体积小，故而可选择较为简单、灵活、紧凑的结构形式。 根据机械人手臂的动作形态，按坐标形式大致可将机械人手臂部分分为以下四类[9]：直角坐标型机械手；圆柱坐标型机械手；球坐标（极坐标）型机械手；多关节型机械手。采摘机械臂的结构型式选取主要取决于机械人的活动范围、灵活性、重复定位精度、持重能力和控制难易等要求。以上四种型式，它们的活动范围和灵活度逐渐增大。经过对苹果采摘空间的研究，结果表明，苹果树树冠和底部的苹果分布极少，大多分布在树冠中部，大约有80%以上的苹果分布在距地面垂直高度1-2m、距树干左右方向1-2m的空间范围内，且阴阳两面的苹果分布率并无明显的差异。这就要求采摘机械手应当具有较大的工作空间，因此选用多关节型机械手较为合适，且其占地面积较小，更加适合苹果采摘作业。 实际中，苹果生长位置随机分布，这就要求机械臂的末端执行器能够以准确的位置和姿态移动到指定点，因此，采摘机械人还应具有一定数量的自由度。机械臂的自由度是设计的关键参数，其数目应该与所要完成的任务相匹配。一般来说，自由度数量越多，机械臂的灵活性、避障能力越好，通用性也越广，但增加