毕业答辩-柑橘采摘机器人结构设计

2答辩目录1、课题来源与意义5、课题成果4、详细设计计算2、课题技术路线6、参考文献3、设计方案论证3课题来源与意义中国作为一个发展中国家，又是一个农业大国，要实现农业的现代化，必须实现农业机械化。伴随着我国经济的快速发展和科技的飞速发展，知识经济也随之而起，伴随着发展的潮流，农业机械化面临着各种各样的机遇和挑战。现在，随着农业的发展，机械化的应用范围也日益扩大，从播种到收割，再到进一步的加工，机械化程度都在增加。在农业生产发展的全过程中，由于多种外部条件的制约，如国内部分山区，由于缺乏高机械化的机械设备，很难在短时间内实现机械化，所以只能采取手工操作；另外，由于我国的贫富差距，造成了机械化发展的资源分配不均衡，有些地方的农机具比较好，有些地方没有足够的资金，没有足够的设备，就得靠人力。根据统计，中国的电力和辅助设备的比重是2:3，远远低于发达国家，而且农用设备的利用率也很低。随着科技的飞速发展，一个现代化的机械时代已经来临，农业机械化已经成为当今农业发展的重要任务之一。如果说水稻和蔬菜是我国第一和第二大的农作物，那么，水果就是我国的第三大农作物。但是，由于我国目前的果蔬生产机械化程度还不高，加之人口老龄化问题日益突出，因此，加强对果蔬采收机械化的研究，对于今后的农业发展将会有很大的实际意义。3课题技术路线它的首要工作是采集柑橘。一台完整的柑橘采集机器人，主要包括两大块，一块是采集柑橘的采集臂，一块是承载着采收部件的步行机械。各部分由机械、动力驱动、控制、检测、传感、执行机构等五大部分构成。主要研究内容如下：(1)对我国目前的柑橘种植区进行了环境特征调查，统计了果树的栽植密度，了解了果树上的大体分布特征，并参考了有关的物理参数，为今后的系统结构设计打下了一定的基础。(2)对柑橘栽培区域的环境特征进行调查，明确其在实际应用中的特殊需求，合理地选取其功率分配，并最终确定其结构型式，为其总体外形的设计奠定基础。(3)在考虑到果柄的有关物理性质的基础上，确定了末端执行器的剪力形式，并最终完成了整个系统的结构设计。(4)利用软件进行运动模拟，评价机器人的机械手臂和终端执行器的稳定性。(5)对机械手的受力进行了分析，对剪刀进行了有限元分析，并在此基础上对剪刀的结构进行了优化，并对刀刃的选择和果柄硬度的关系进行了研究，最后得出了剪裁机构的设计方案。3设计方案论证

一台完整的柑橘采集机器人，主要包括两大块，一块是采集柑橘的采集臂，一块是承载着采收部件的步行机械。两大组成部分均由五个小部分构成，各个部分的功能如下：机械部分其中，机械部件是支撑整个系统的机械结构，其机械结构的好坏，直接影响着柑橘采收机器人的运动与控制。动力驱动部分为整个系统的控制和执行提供能源动力。

控制部分通过对柑橘果实的采集和各传感器的反馈信息进行分析和处理，从而实现对整个系统的控制。检测传感部分保证系统的识别和定位的准确性以及对障碍物的感知能力和保护能力。采用传感器，获取目标柑橘的位置信息。执行机构通过对柑橘果实的夹持以及对果梗的切割，尽量做到不损伤并且能成功采摘柑橘。总体方案图3设计方案论证一、根据柑橘采摘机器人需要完成的任务要求设计采摘臂部分的控制系统结构柑橘采摘机器人采摘臂的控制系统结构框图二、综合分析直角坐标机械臂、圆柱坐标机械臂、关节型机械臂的三个方案，关节型机械臂动作较为灵活、工作空间大并且具有拟人的结构，可以在复杂的环境下工作，满足柑橘采摘的工作环境要求。因此选取方案三关节型机械臂作为最终方案。直角坐标机械臂圆柱坐标机械臂关节型机械臂3设计方案论证三、目前国内外的柑橘采收机器人主要采用的是轮式和履带式两种步行模式。轮式的步行模式分为三轮和四轮，运行平稳，易于控制，但与地面摩擦小，容易打滑，不稳定，在果园里行走时容易发生颠簸。履带式行走是将履带绕在轮子上，将轮子与地面分离，增加摩擦，通过能力强，附着能力强，能够在狭窄的空间内原地转向，对路面环境的适应性强，能够在崎岖不平的路面上行驶根据行走机构的任务要求，画出行走机构的结构框图。行走机构的结构框图履带式行走机构如下图所示，它主要具有转向和移动两个功能。下图是履带式行走机构的转向原理示意图，电机和驱动轮驱动安装在行走机构的两侧的履带上，O点是行走机构转向时的圆心，B是履带行走机构的宽度，当两侧的驱动轮和电机的线速度不相同时，两个驱动轮因为行走机构的宽度产生了差速移动，从而实现转向的功能。履带式行走机构转向示意图3设计方案论证四、末端执行器的确定通过查阅资料，最终使用圆筒形末端执行机构，该机构由锯齿式拢果器、切割刀片、接果器、位置传感器组成，通过对机械手的移动进行控制，将柑橘送入齿状拢果器，在末端执行机构内的位置传感器探测到所摘的柑桔全部进入接果器后，机械手就会停止动作，这时，控制刀片与锯齿拢果器啮合，切断果梗，然后将柑橘送入果筒，完成一次采摘。该收果筒与收果盒之间由一软袋相连，其内部设有减震装置，可有效地防止柑桔的损坏，方便后续的贮藏和运输。设计了如图3－3所示的筒状末端执行器，图中的末端执行器主要由接果器、齿状拢果器、收果筒、位置传感器、刀片、刀片齿轮、拢果器齿轮和同步带轮等部分组成。筒状末端执行器结构简图3详细设计计算带轮的设计：同步带轮由步进电机驱动旋转，并带动从动带轮旋转。主要是对带轮的选择。根据已知的条件，设定主动轮的参数：P=20w；传动比i=2；传动中心距160mm；转速n=500r/min。同步带的设计功率为：同步带的型号和节距根据设计功率24W和转速n=500r/min，查的机械手册可知：选择带的型号为3M型，小带轮的齿数，由小带轮的转速n=500r/min，以及带的型号为3M型，查的机械手册选择的小齿轮的齿数：Z1=10,大带轮的齿数：Z2=i*Z1=2*10=20带轮节圆的直径D，小带轮的节圆直径:大带轮的节圆直径：计算带速V：可以得到:72.7mm≤a0≤155.5mm最终确定实际的中心距为155mm3课题成果本次设计以柑橘为研究对象，设计了一种能自由伸缩的多角度采收机器人，并设计了一种具有剪刀的末端执行器，并对其进行了一系列的受力分析，最终确定了该机器人的最优结构。通过对该系统的运动模拟和分析，得出了该系统的实用效果。通过对设计方案的论证，完成了如下工作：1、对柑橘采摘过程中的各种特征进行了分析，对其动力驱动方式、末端执行机构以及采集臂的构造方式进行了分析，对其进行了总体设计，并对其各个部件进行了合理的设计。2、从分析结果可知：本设计的收获机具有机械手伸缩功能，能够基本覆盖果树上柑橘的分布范围；机械手的机械臂及端部执行器设计合理，机械手工作平稳，整体设计符合要求。3、采用有限元方法对机械臂的总体结构及剪刀的受力状况进行了分析，并根据机械臂末端执行器采集精度的要求，对其进行了优化；从果柄硬度、刀具选材等方面对机械臂的剪切机理进行了优选。本次设计针对采集作业环境及采集对象的物理特征，研制出一种能上下伸缩的机械手及剪力式末端执行器的采收机器人，在采收时能极大地减少果实的伤害，具有广泛的采收应用和良好的采收效果。采用这种机械臂，可以有效地改善柑橘的采收品质，减少采收工人的劳动强度，增加采收费用，增加市场竞争力。该设计方案对其它果蔬采收机械的研制和研发具有一定的参考价值。3课题成果3参考文献参考文献[1]

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