果实采摘机械手的创新设计-图文

２００９年７月农机化研究第７期果实采摘机械手的创新设计金旭星（无锡职业技术学院机械系。江苏无锡２１４１２１）摘要：果实采摘机械手是一种新型、实用的机械手，是一种为解决人们采摘高处果实难而创新设计的工具。为此，对果实采摘机械手进行了创新设计。该机械手结构轻巧，操作灵便；采用齿形剪．定位精度高；能进行自动分级采摘，避免了二次分拣；果实大小的界限、采摘高度范围均可自行调节，多方得益，市场前景广阔。关键词：果实；采摘机械手；创新设计中图分类号：ＴＰ２４１．３；ＴＨｌ２文献标识码：Ａ文章编号：１００３－１８８Ｘ（２００９）０７－０１３９—０３０引言我国是多类型水果生产大国，但浪费严重，除贮点比较，如表１所示。表１功能原理及特点Ｔａｂ．１Ｆｕｎｃｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ藏、运输等因素外，缺乏有效的采摘器械而造成的采摘效率低下也是一个重要原因。目前，各国政府为增强地方经济，正相继开发大量旅游投资项目，纷纷举办各种采摘节，如苹果节、桃子节等，吸引了大量游客到果园采摘旅游，享受采摘的乐趣。如果能提供一种轻巧灵便的果实摘采器，不但会让游客增添采摘乐趣，而且保障了游客的安全及保护了果农的果树不受损坏。另外，果农可以少打矮壮素等农药，生产出更多的无公害果子，减少投入和综合表１，选剪切式功能原理最为合适。１．２运动规律设计要形成剪切运动，可以选择两种运动规律：一是让两刀片相对滑动而相切；二是让两刀片相对转动而相切。由于动力源离执行机构相距较远，且刀片的移污染，游客可以品尝到更新鲜卫生的水果。本文拟研究的果实采摘机械手是一种新型、实用的机械手，是解决人们采摘高处果实难的工具，其最终目标是在确动方向应接近水平，而动力输人应是竖直的，如图１（ａ）所示。而对于实现两刀片相对转动这一要求，无论动力输入是移动还是转动，都可直接与执行机构灵活对接，不受运动方位限制。因此，选用两刀片相对转动的运动规律较为合适，如图ｌ（ｂ）所示。１．３运动构型设计保果实不受物理损伤的前提下，提高劳动效率及消除高空作业的危险性。据多方调研，市场上尚未开发出相关产品，主要是大众对这方面的需求重视程度不够，本文的研究成果在第二届江苏省大学生机械创新设计大赛获奖，在整个调研、设计、制作过程中，课题组积极挖掘拓展了机械手的其余功能，并在不懈努力中取得了成功。１如前所述，可确定动力由动力源直接远距离输送至执行机构，使活动刀片相对固定刀片转动。课题组成员敏锐地捕捉到普通自行车的刹车装置，如图２所剪切功能的实现示。以此构型作为驱动机构，不但简便快捷、效率高，而且易于实现剪切。１．１功能原理分析要实现剪切果实的功能，可以有多种功能原理实现，如吸附式、抓拉式、剪切式等。各种功能原理的特２分级功能的实现２．１功能原理分析收稿日期：２∞８一１０—１ｌ作者简介：金旭星（１９７１一），男，浙江金华人，讲师，（Ｅ—ｍａｒｌ）ｊｉｎｘｕｘ－ｉｎｇ＠１６３．ｃｏｒｎｏ欲实现分级功能，功能原理比较多，不过单纯从机械机构上考虑，主要有两种选择：一是按照果实的质量来确定；二是按照果实的最大直径衡量。众所周２００９年７月农机化研究第７期知，人们买卖果实、评定价格均以后者为依据，前者则是果实筛选流水线上的首选，所以确定以后者为依据展开设计。于设计，如图３所示。但因活动分级板位置与活动剪位置相距较远，需多路输出，对后续尺度设计带来许多困难，且该方案对果实的大小界限是唯一的，显然不符合市场实际。口卜一ｊ！！兰竺竺兰竺型日（ａ）输入与输出的方位关系锯齿状弧型一一大出图３方豢１分级原理Ｕｇ．３１１Ｉｅｇｒａ＆ｍｉｏｎ—ｎｃｉｐｌｅ０ｆｐｌａｎＩ２）设想二：令按下刹车把（不放松），剪落果实后，若为小果实，则直接落向小出口；若为大果实，则杆＼＼＼．Ｆｉｇ．１（ｂ）转动剪鐾Ｄｅｓｉ印０ｆｍｏｖｅ眦ｎｔｒｕｌｅ支捧杆可调环搁在小出口上，待放松刹车把后，打开大出口通道。因此，必须设置大小两个果实出口，上为小出口，下为大出口。同时，设置一扇“门”式分级板与其配圆柱钠对，令其在剪切时处于掩盖大出口通道，放松刹车把时开启大出口通道，形成“傻瓜”式分级。方案２结构示意图，如图４所示。图Ｉ运动规律设计≮ｇｉ图２驱动机构ｎｇ．２１１．ｅｆａｅｔｔｌａｔｉ∞ｍｎｌｃｔｕｒｅ２．２运动规律设计显然欲使果实被剪切后自动实现分级回料，必须设置两个果实出口，以分别回落大、小果实。鉴于采摘效率量，设计要求只允许一个动作，是一个严峻考验。以下是设计过程中的两个主要方案。１）设想一：以活动剪与固定剪相交前让其自动“感应”果实大小，若为大果实，则大果实出口开启，而关闭小果实出口；若为小果实，则开启小果实出口，关闭大果实出口。驱动原理，如图２所示。若要完成上述运动规律，杠杆原理为首推方案。令活动分级板与活动剪联动，活动分级板初始位置关闭小出口。并随Ｆ；ｇ．４１．刹车把２．通道３．小出口４．分级板５．同定剪６．活动剪７．复位弹簧８．大出口９．钢丝绳图４方案２结构示意围ＩＯ．支撵杆体Ｓｌｒｕｃ｜ｕ”小ｍａｔｉｃｄｒａｍｎ轳０ｆｐｌａｎ２一手握住支撑杆，直接定位果实位置，将果茎落人活动剪与固定剪的空腔内；另一手按下刹车把，此时活动爪将绕底盘的铰链转动，直到使活动剪与固定者活动剪的移动向大出口摆动。该方案简单明了，易２００９年７月农机化研究文关怀。第７期剪相切。与此同时，下分级板斜向下移动至最底部，从而使下分级板不能相对上分级板转动，将大果实出口通道掩盖，仅露出小果实出口。果实茎被剪切后，果实自然落入小果实出口，若为小果实，则将直接落人小果实接收网框；若为大果实，则将搁在小果实出口上，待操纵把松手后，在复位弹簧的牵引下，活动爪将恢复原位。同时，上、下分级板也将提升，此时下分级板能够相对上分级板转动，大果实将在重力分力的作用下推动下分级板，向大果实出口自然滚动，最终进入大果实接收网框，从而完成了果实采摘分级的自动作业过程。图５即为该方案的实物照片。２）绿色环保：果树及枝条不再因受人为载荷而频繁损伤，环保意义深远。３）适用性广：不但可适用苹果、梨、桃子、柿子等多种果实的采摘，还可用于修剪果树枝条。４）经济卫生：果实不再与人手直接接触，果农可以少打矮壮素等农药，减少投入和污染，人们可以品尝到更新鲜卫生的水果。√，５）可采摘到高处人手采不到的高品质果实，减少浪费。６）采用锯齿剪，定位进度高，不会对果实造成物理损伤。７）能够进行自动分级采摘，避免了二次分拣，既高效又卫生。‘８）果实大小界限、采摘高度范围均可调节，作业半径大。９）结构轻巧，操作灵便，采摘与分级一气呵成。参考文献：［１］申永胜．机械原理［Ｍ］。北京：清华大学出版社，２００４．［２］罗绍新．机械创新设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社．２００３．［３］张春林．机械创新设计［Ｍ】．北京：机械工业出版社，１９９９．［４］王成焘．现代机械设计一思想与方法［Ｍ】．上海：上海科技文献出版社．１９９９．图５实物图片Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｐｉｃｔｕｒｅｉｎ［５】赵卫军．机械原理［Ｍ］．西安：西安交通大学出版社，２００３．ｋｉｎｄ［６］龚振邦．机器人机械设计［Ｍ］．北京：电子工业出版社，１９９５．３主要功能与特点１）保障人身安全：地面操纵，无需上树，体现人［７］王三民．机械原理与设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社，２００４．ＴｈｅＭａｎｉｐｕｌａｔｏｒＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＤｅｓｉｇｎｆｏｒＰｉｃｋｉｎｇＦｒｕｉｔＪｉｎＸｕｘｉｎｇｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｘｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｘｉｏｎｅ（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ２１４１２１，Ｃｈｉｎａ）ｈｅｌｐｔｈｅｐｅｏｐｌｅｐｉｃｋｔｈｅｆｒｕｉｔＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｏｆｐｉｃｋｉｎｇｆｒｕｉｔｉｓｋｉｎｄｏｆｎ洲ａｎｄｐｒａｃｔｉｃａｌｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒｃａｎｔｏｉｎｈｉｇｈｐｌａｃｅ．Ｉｔ§ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｄｅｘｔｅｒｏｕｓ。ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｉｓａｇｉｌｅ；Ｉｔｐｒｅｃｉｓｅｌｙｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｆｏｒｕｓｉｎｇｔｈｅｔｏｏｔｈｃｕｔ；ｃ锄ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｄｉｖｉｄｅｔｈｅｆｒｕｉｔｒａｎｋａｖｏｉｄｉｎｇｔｈｅｍａｎｕａｌｓｏｒｔ；Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｆｒｕｉｔｓｉｚｅｂｏｕｎｄａｒｙａｎｄｔｈｅｐｉｃｋｉｎｇｓｃｏｐｅａｌｌｃａｎｂｅｗｉｌｌｆｕｌｌｙａｄｊｕｓｔｅｄ．ＩｔｈａｓＳＯｍｕｃｈｍａｒｋｅｔｐｒｏｓｐｅｃｔａｎｄｍａｎｙｗａｙｓｃａｎｂｅｂｅｎｅｆｉｔｆｒｏｍｉｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｒｕｉｔ；ｐｉｃｋｉｎｇｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ；ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ・１４１・果实采摘机械手的创新设计作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期：被引用次数：金旭星，JinXuxing无锡职业技术学院,机械系,江苏,无锡,214121农机化研究JOURNALOFAGRICULTURALMECHANIZATIONRESEARCH2009，31(71次参考文献(7条1.罗绍新机械创新设计20032.申永胜机械原理20043.王三民机械原理与设计20044.龚振邦机器人机械设计19955.赵卫军机械原理20036.王成焘现代机械设计-思想与方法19997.张春林机械创新设计1999相似文献(10条1.学位论文边源番茄采摘机械手的研究与设计2009农业机器人作为机器人的一种类型，是精准农业、微电子、计算机和自动控制等技术在农业生产中应用的集中体现，是农业生产过程自动化、智能化的重要标志。

果实收获是农业生产过程的重要环节，为提高劳动生产率和作业质量，降低劳动强度，改善工作环境，实现收获作业机械化、自动化和智能化，基于果实生物学特性与栽培方式的收获机械人得到了发展。目前，日本、美国、荷兰等国家已研制了多种收获机器人，主要用于收获番茄、黄瓜、葡萄、西瓜、节果、柑橘等蔬菜和水果。

本文首先根据番茄生物学特性、栽培方式及番茄收获机器人机构型综合原则，确定了番茄收获机器人是7DOF自由度的番茄采摘机械手，并根据实际工作方式确定了机械手的结构，设计了传动机构、机械手臂、末端执行器、手腕与基座的外形及尺寸。在选择驱动装置时对几种驱动方式做了详细比较最终确定为电机驱动；手臂部分采用内骨架式设计，减轻了手臂重量；手腕部分设计了螺旋传动式平行央持器，并添加吸盘，使其具有良好的夹持性能。本课题理论研究与实际参数有机结合，研究结果亦可应用于其它果实的采摘。2.期刊论文罗小勇.宁志超.LUOXiao-yong.NINGZhi-chao六自由度果实采摘机械手控制系统的设计-信息技术2011(2主要介绍了基于AVR系列单片机-ATmega16的六自由度果实采摘机器手控制器以及机械手整体结构的设计.机械系统的设计采用模块化的设计方案,从而将功能分解,降低模块之间的耦合性.硬件系统主要是由6路伺服电机、金属支架组件以及控制器构成;控制器分别从硬件和软件两方面进行设计,并通过实验验证了六自由度果实采摘机械手控制系统的可行性.3.期刊论文梁喜凤.苗香雯.崔绍荣.王永维果实采摘机械手机构设计与工作性能分析-农机化研究2004(2采摘机器人是农业机器人的一种类型,在农业生产中具有广阔的应用前景.为此,从型综合和尺寸综合两方面介绍了果实采摘机器人机械手的机构设计,并分析了机械手机构的工作空间、可操作度、避障能力、冗余空间和姿态多样性等工作性能指标以及各指标的计算方法,为果实采摘机械手的机构设计与工作性能评价提供了理论依据.4.学位论文宁志超基于ATmega16的六自由度果实采摘机械手控制系统的设计20105.学位论文张向珂采摘机械手障碍信息探测及避障技术研究2010随着农业生产的飞速发展和农业劳动力成本的迅速上升，农业劳动力的匮乏将成为许多发达国家和发展中国家共同面对的问题。目前机器人技术在农业上应用研究越来越成为热门课题，与工业机器人特定的工作环境不同，农业机器人主要在自然场景下工作，要面对更为复杂多变的情况，有更多的问题需要解决。

本研究作为果实采摘机器人研究的一部分，研究自然场景下障碍物(树枝的探测方法及避障技术，为未来开发收获机器人采摘果实进行前期的准备工作，这部分相关的研究也是水果收获机器人实用化的关键。

本研究的主要内容和方法如下：

1、超声波传感器测距系统

为解决传感器信息不确定问题，自行研究设计了超声波传感器测距系统。本文利用8位单片机STC12LE4052作为传感器的控制、数据采集及处理单元，设计了超声波测距系统的硬件电路，编写了测距系统的程序，并进行了测距实验，实验结果表明，该超声波传感器测距系统具有体积小，集成度高，测量误差小，精度高等优点，适宜作为采摘机械手障碍距离的探测。

2、障碍物探测

为保持算法的可执行性，障碍物检测采用对图像2R-G-B和2G-R-B色差分量值进行迭代，并结合图像灰度阈值法快速有效地分割出图像树枝区域，通过图像二值化、形态学运算、区域标记、空洞填充提取出图像树枝区域；通过区域细线化提取树枝骨架，并进行骨架修剪、恢复遮挡骨架等处理；然后找出骨架中端点、分支点等特征点并记录它们的连接关系；最后通过对视觉传感器和超声波测距传感器信息的融合恢复障碍物的三维信息。试验表明障碍物的正确识别率为67.3％，当障碍物实际距离大于1.5m时，识别误差增大。

3、避障技术研究

在获取障碍物三维信息的基础上，重建虚拟采摘场景。在此基础上采用SBL-PRM算法进行了避障技术研究。分析了避障规划的各参数对规划成功率及规划时间的影响。当S=3000，ρ=0.6，ε=0.03，N=10时，规划采摘无遮挡柑橘的时间低于1ms，规划采摘被遮挡柑橘的时间约为60ms，结果表明，利用SBL-PRM算法可以满足动态非结构化环境下避障路径规划的实时性和安全性要求，具有较高的实用价值。

济意义。6.期刊论文宁志超.崔天时.李广军.NingZhichao.CuiTianshi.LiGuangjun六自由度果实采摘机械手及其控制系统的设计-农机化研究2010,32(9目前我国农业机械化水平相对于欧美的一些发达国家很低,因此加快我国的农业机械化进程,是实现我国农业现代化的必由之路.基于ATmega16的六自由度果实采摘机械手就是提高我国农机化进程一项有力措施.为此,主要介绍了基于AVR系列单片机-ATmega16L的控制器的设计,以及机械手整体结构的组成设计.机械系统的设计采用模块化的设计方案,即将功能分解,降低模块之间的耦合性.硬件系统主要由6路伺服电机、金属支架组件以及控制器构成;控制器分别从硬件和软件两方面进行设计,并通过实验验证了六自由度采摘机械手的可行性.7.学位论文张江州荔枝采摘机械手机器视觉部分的关键技术研究2009在水果收获时，采摘是最为繁琐和劳动量最大、耗时最长的日常作业。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化在国内外都是一项比较新颖又具有挑战性的课题。目前国内水果采摘作业基本都是靠人工完成，但人工采摘方式的成本高、劳动强度大、易损伤果实表面等。研究开发具有识别能力、视觉功能的智能化水果收获机器人，对于减少劳动力的投入，提高农业生产力，保证水果质量，促进水果业的稳定发展有极大的应用价值与现实意义。随着我国信息化的发展，农业机械也正在向智能化方向转变，这给农业机器人的研究提供了广阔的空间。本文对荔枝收获机械手视觉系统的目标定位技术进行了研究，并用CVI开发环境进行编程。论文构建了收获机器人双目视觉的硬件系统。首先，本文采用一种内外参数分离的标定方法。内参数标定采用张氏平面标定法，在标定进程中，以标定平面模板平移的方式，适当提取标定模板中的特征点，通过实验和计算获得较精确的摄像机内参数模型；外参数标定是合理选取参考坐标系，通过实验分析求取两摄像头的外参数模型。其次，在对荔枝图像进行分析的基础上，采用基于RGB颜色模型来实验彩色图像的分割，对比各种组合算子的分割效果，提出以R—G算子分割荔枝原始图像。在对荔枝目标区域的分割后，进行二值化及形状学处理，提取目标区域的面积及形状特征，提出使用面积的平行最小外接矩形的中心点近似模拟荔枝目标区域的形心点或重心点。在提取面积及形状特征后，实现共轭图像中目标区域的匹配。接着，运用三角测量原理对共轭图像中的对应的荔枝形心进行三维坐标计算，并将计算的三维坐标和实际测量的三维坐标相比较，在误差分析的基础上建立网络模型和训练系统来修正误差。实验结果表明当两个摄像头都可以拍摄到荔枝的相对完整的轮廓时，利用本研究提取的特征提取及共轭图像的匹配方法，进行双目立体视觉定位，其误差可以控制在10mm内，能够满足机器人采摘果实所需的精度要求。8.期刊论文刘淑珍.张玉宝.LiuShuzhen.ZhangYubao杨梅采摘机械手研究展望-农机化研究2009,31(12介绍了杨梅果实收获存在挂果密集、分批采摘和成熟期短等特点,以及人工采摘杨梅存在效率低和质量下降等缺陷,分析了国内外果蔬收获机械研究现状,发现对于挂果密集与果面易损伤的杨梅缺乏研究.研究杨梅采摘机械手,对提高生产效率、提升杨梅品牌地位和在国内外市场的竞争力、增加我国外汇收入、提高果农收入具有重大的现实经济意义.9.学位论文戈志勇番茄采摘机械手运动学仿真与避障算法研究2007水果和蔬菜是人类生活中必不可少的食物，种植面积和产量逐年提高。研究开发适合目前农业生产实际的果蔬采摘机器人，不仅可以很大程度减轻劳动强度、提高生产效率，而且具有广阔的应用前景。在国外，这项工作已经进行了很多年，并取得了一定的研究成果；而在国内，这个领域的应用研究还相对滞后，离实际应用还有很大距离。本文以番茄采摘机械手从初始位置移动到目标番茄位置为考察对象，充分考虑采摘作业空间中障碍物的种类及属性，结合MOTOMAN-SV3X采摘机器人机械手本体特点，实现了番茄采摘机械手的基于局部采摘空间模型的避障路径规划。本文主要完成的工作：机械手的运动学是避障路径规划研究的基础，本文首先建立了MOTOMAN-SV3X的运动学模型，并在MATLAB/roboticstoolbox平台下，对MOTOMAN-SV3X的运动学进行了仿真研究。针对工作空间中可能存在的障碍物及形状进行了分类及抽象，确定了关节空间(C-空间为规划空间，并利用边界特征对机械手各关节和连杆与工作空间(W-空间中的障碍物可能的碰撞方向和位置作了几何分析。结合采摘机器人机械手本体特点和几何分析的结果，提出了一种番茄生长环境中的障