菠萝采摘机的设计

I用于农业方面的采摘机是农业机器里面很重要的一个类型，它具有很大的发展潜能，它可以让果实在合适的季节被采收，还能够提高果实的质量，劳动生产率也能提高，生产费用和工人的劳动强度还能够降低。而人工进行采摘的时候，时间会比较统一，还耗费成想要增加农业的收入，就必须要使得成本费用得到降低、还得保证果实的采收。所以可以看出，从菠萝的种植到收获过程中，采收工作是最麻烦的，最费劲的环节了，因为这种工作强度大，而且成本高，季节性还比较强。目前，已经投入使用的菠萝采摘机大多都是机械系统和电控系统相结合设计的。通过控制机械手爪来抓取菠萝，然后用电锯切割或者直接用机械手的旋转来采摘下菠萝。本文综合了菠萝的种植方式和物理特性，并且在分析国内外菠萝采摘机械研究的基础上，掌握了合理的数据，根据这些数据来设计菠萝采摘机，本文设计了各种机构，比如机械手、电锯切割机构等等，同时在利用相关传感器的基础上实现切割装置与定位装置的配合使用，关键词：菠萝采摘；末端执行机构；电锯切割机构；超声波定位；压力传感器AbstractThepickingmachineusedinagricultureisanimportanttypeofagriculturalmachine.Ithasgreatdevelopmentpotential.Itcanharvestfruitsintherightseason,improvethequalityoffruits,increaselaborproductivity,andreduceproductioncostsandlaborintensityofworkers.However,whenpickingbyhand,thetimeisrelativelyuniform,andthecostisalnow,thepickingmethodinourcountrincomeofagriculture,itisnecessarytoreducethecostandensuretheharvestoffruits.Therefore,itcanbeseenthatfromtheplantingofpineapplestotheharvest,theharvestisthemosttroublesomeandlaboriouslink,becausethiskindofworkisofgreatintensity,highcostandstrongAtpresent,mostofthepineapplepickingmachinesthathavebeenputintousearedesignedcombinedtheplantingmethodandphysicalpropertiesofpineapple,andonthebasisofanalyzingthepineappleharvestmachineryathomeandabroadresearch,thedesignofpineappleharvestmechanizationofbasicdata,designthevariousagencies,suchasmanipulator,sawcuttingmechanismandsoon,atthesametime,onthebasisofusingrelatedsensorrealizecuttingdeviceandpositioningdevice,pickingofthepineapple.Keywords:Pineapplepicking;End-effector;Electricsawcuttingmechanism;Ultrasonicpositioning;Pressuretransducer目录目录 1 11.2国外菠萝采摘机研究进展 11.3国内菠萝采摘机研究进展 21.4菠萝采摘机研究的发展趋势 31.5研究内容 41.6关键问题 4 52.1设计软件的介绍 52.2总体设计 52.2末端执行机构设计 72.2.1菠萝尺寸测量 72.2.2采摘方法的确定 82.2.3末端执行机构介绍 92.2.4末端执行机构分类 92.2.5末端执行机构的结构设计 92.3电锯切割机构设计 2.3.1果柄结合力测量 2.3.2整体结构 2.3.3刀片旋转电机的选择 2.4移动机构设计 2.4.1菠萝树形状 2.5滚珠丝杠设计 2.5.1整体结构 2.5.2滚珠丝杠的计算 2.5.3滚珠丝杠的电机选择 2.6收纳箱设计 2.7小结 3.1超声波定位系统设计 3.1.1超声波概述 3.1.2超声波定位系统应用现状 3.1.3超声波物理特性 3.1.4超声波定位方法 3.1.5超声波定位系统的工作流程 3.1.6超声波传感器的工作原理 3.1.7超声波传感器的种类 3.1.8超声波定位系统主程序 3.2压力传感器的设计 3.2.1压力传感器的选择 3.2.2电阻应变式传感器的概述 3.2.3电阻应变式传感器的工作原理 3.2.4电阻应变式传感器的测量电路 3.2.6电阻应变片中敏感栅的选择 3.2.7电阻应变式传感器的工作流程 附录A超声波定位系统主程序 1第1章绪论菠萝的采摘方式不管在国内还是在国外都主要还是采用人工采摘，自动化的采摘并未大规模普及。人工采摘不仅劳动强度大，而且生产成本还高，只有运输过程是采用设备进行辅助运输的。对于菠萝这种较大型水果来说，设计的采摘机构必须要有足够的承重能力和刚度，现在的采摘机构基本都是采用的关节串联机构，但是每个关节却都需要一个电机来驱动，这样就会引入额外的负载，从机构的力学性能上看，会使性能下降、速度变慢、误差大、刚度不够承载能力随之降低，尽管其具有工作空间大和各关节单独可调的优点，但总体来看是弊大于利的。还有一种机构连接是并联机构，不管在结构还是性能上并联机为了能够让成本更低一点，让设计的时间更短一点，对质量进行提高，本文设计了一种很简单而且非常有效的方法为菠萝采摘机的制造，对机构的运动进行了设计并且仿真，还设计了很多的关键部位，和总体的一些方案设计，并且还对机械部分进行了详细的计算，仔细研究一下菠萝采摘机是如何工作的，本文按照一些采收方法针对性的解决效率低并且强度还大的一些传统采摘法。1.2国外菠萝采摘机研究进展国外对于菠萝采摘机的研究都是从简单到复杂发展的，始于20世纪40年代，先是简易的采摘器，然后是振摇式的采摘机，最后就是切割式的采摘机。图1-1所示为美国生产使用的机械式菠萝采摘机。20世纪80年代，日本京都大学的NoboruKawamura等人研制了五自由度关节型机械手，但这种机械手工作空间有限，可操作度低1。自第1台西红柿采摘机器人在美国问世以来，采摘机器人的研制和开发得到了快速发柑橘等水果和蔬菜收获机器人，但技术不太成熟，还没有真正实现商业化14]。2008年的时候，由BaetenJohan,DonneKevin,BoedrijSeven等人研制出了一种用于果园棚架栽培模式的苹果收获机器人[3]。其机械部分是一个具有5个鱼由度的极坐标机械手，具有4个旋转关节(其中腰部1个、肩部1个、腕部2个)和1个棱柱型的直动关节2003年，由VanHentenEJ,VanTuijlBAJ,HemmingJ研制出一种多功能黄瓜收获2003年，英国的ReedJN.MilesSJ,ButlerJ研制了蘑菇采摘机器人，它可以自动测东北电力大学本科毕业论文22002年，日本国立蔬菜茶叶研究所与岐阜大学联合研制了能够采摘茄子的机器人5]。图1-1美国机械式菠萝采摘机1.3国内菠萝采摘机研究进展采摘机的未来前景非常广泛，并且肯定会向机械智能化的方向不断的发展，在2001年的时候，对于采摘番茄时定位果实的精确问题，张瑞合等人用双目视觉的办法解决了这个问题。对采摘机的视觉方面的问题，沈明霞和张立斌正在研究，沈明霞是南京农大的，张利斌是浙江工大的。为了联合收割机的制造，曹其新和刘成良等人对其作了研究并且已经完成，这二人是上海交大的，可以看出，在20世纪90年代的时候，我国的采摘机才开始在菠萝采收机械的研究上，中国也有先进的创新。视觉系统是菠萝采摘机里面一个非常重要的关键部位，平台结构如图1-2。该研究选取双目视觉技术，如图1-3所示，基于双在菠萝地里，还能够使用单目视觉来对菠萝进行识别，这就是单目视觉识别技术。在觉识别实验，以拍摄的35幅图像作为样本运算，在迎光条件下的形心识别正确率达到3第1章绪论图1-2双目视觉平台结构图1-3双目摄像机的构成1.4菠萝采摘机研究的发展趋势到目前为止，下列这几个方面的问题还能够再进行一下研究，这都是为了能够使得采摘机的机械化更好地发展，而且可以看出，机械手的研究都是采摘方式的重中之重，以此可以看出，我国的采摘机械化发展的速度是非常之快的：(1)菠萝在生长的过程中的高度是不一样的，所以机械手的位置是能够调整的，这样方便采摘，还需要提高适应性，能够在菠萝地里运作。(2)采摘机的设计成本要低、可靠性要高、操作还得简单，因为使用者都是农民，没有关于机电方面的知识，所以说这个机器的结构要非常合理，拆装方便且使用简单。(3)在土壤中行走时不能陷入土壤中。种植菠萝的土壤具有砖红壤的特性，所以不能东北电力大学本科毕业论文4使用普通的轮胎，需要使用履带在上面行走。(4)要智能化和自动化。现代科学技术在不断地创新和应用，就会使得机械化、自动化、智能化的进一步发展，因此就可以提高农业机械化程度，发展能够在菠萝地中行走的机器，以便提高菠萝的采摘和运输。本次设计首先需要对国内外菠萝采摘机的发展进行研究，并且对菠萝采摘机的前景有所了解。在进行机械手的设计时，要先进行结构分析，才能够使设计出的机械手合理化。设计完成后，运动学、动力学分析和强度校核是必要的程序，该工作量较大，并且需要十分严谨。对菠萝的识别、采摘、收集和运输都是关键，也是本次设计的重点。1.5研究内容(1)对菠萝采摘机进行运动学、动力学分析。(2)利用AutoCAD和CATIA软件构建菠萝采摘机的模型，对菠萝采摘机进行机构分析与设计。设计两套丝杠、光杆传动机构。(3)设计控制系统，选择合理电机。(4)对传统的控制方式改进分析，利用LabView软件制作人机交互界面并用相关软(1)本文所设计的菠萝采摘机能够具备可靠并且精度很高的自动定位技术，这种技术可以自动完成，整个采摘过程都是人机协作来完成的。(2)本文所设计的机械手爪要更加的灵活和机动，以至于对果实的损害要能够降低，第2章菠萝采摘机的机械设计5第2章菠萝采摘机的机械设计菠萝是本次研究的对象，故需要对菠萝的尺寸进行测量，以得出准确的结论来设计菠萝采摘机，上文已对菠萝的尺寸和重量进行了测量。在设计菠萝采摘机的各种机构时，需要考虑诸多方面的因素，例如菠萝的生长环境，菠萝生长的土质，菠萝的大小以及菠萝树的高度问题。接下来本篇论文就以上四个问题分析，来设计一款可自动识别的菠萝采摘机。产品能够完成其定义，都是依靠CATIA这种工具来完成的，功能公差和运动学这两种产品都能够定义。在通用的工具和模具方面，CATIA都提供了非常广泛的应用在为这些工计算机辅助设计(CADComputerAidedDesign)指利用计算机及图形设备帮助设计人员进行设计工作。计算机可以帮助人们做许多事情，比如将草图转变工作图，因为人们都是从草图开始设计的，还能够快速的检索一些重要的信息，而且一些图片或者文字等等信息还能够放在计算机的内存里面。所以在设计过程中，计算机的使用是非常有必要的。整个菠萝采摘机是由菠萝采摘机械手、电锯切割机构、三角履带轮、滚珠丝杠、超声波测距仪、收纳箱、车身等几部分组成，如图2-1所示。图2-1菠萝采摘机菠萝采摘机械手是夹持菠萝的部分，在设计采摘机械手时，需要注意的是夹持菠萝的力度和角度，夹持力度和菠萝重量和菠萝皮的厚度有关，而夹持角度主要和菠萝的生产方向有关，所以采摘机械手需要能够转动。电锯切割机构起到切割作用，当机械手夹持住菠东北电力大学本科毕业论文6萝后，电锯对准根部进行切割，要保证在切割过程中电锯不可被打断或者卡住。滚珠丝杠是采摘机械手和电锯切割机构的移动轨道，起到运输和导向的作用。超声波测距仪主要是判断电锯是否对准菠萝根部，自动识别电锯的位置。本文所设计的移动机构是三角履带轮。这种轮子一般不用金属作为履带，因为金属会损伤地面，一般都用在大型机器上，比如坦克等等。而本所设计的三角履带轮用的是橡胶履带，这种履带的特点就是比较轻，对路面的保护比较好，而且拆装都很方便。而且只要车辆按上这种履带轮，走在各种的地面上都能够如履平地，无论是泥地、沼泽、还是雪地、山坡、石地等等，所以说最大的特点就是各种地形都能行走。这种轮子是一种集成式的机械装置，它是由履带、驱动轮、支撑轮、张紧轮等等组成的。收纳箱是收集菠萝的装置，当电锯切下菠萝后，机械手将菠萝运送至收纳箱收集。车身是菠萝采摘机的支撑体。本篇论文设计的这款菠萝采摘机能够自动识别菠萝的位置，进行自动切割，同时履带式移动小车采用的是蓄电池装置为其供电，蓄电池装置的电能供整体采摘作业使用完全足够。末端执行器上会安装一些传感器，比如压力传感器，用来感知菠萝的重量与坚硬程度。利用单片机的计算可以控制机械手运动，在相关按钮的控制下，机械手的整体部分可以自由运动在滚珠丝杠上而到达相应位置，并且控制机械手上夹具运动使夹具处于张开的状态，然后实现对菠萝的抓取。机械手的三维运动控制部分安装在采摘机的顶部，滚珠丝杠机构作为三维运动的执行机构。由超声波测距仪确定菠萝具体所在的位置后，电锯切割机构可以自动控制电锯切割装置通过滚珠丝杠的运输到达指定位置，同时控制电锯的电机开始运作，此时的电锯可以进行菠萝的切割。同时采摘机构动力传输主要依靠电机实现，滚珠丝杠部分由一台小功率电机和两台较大功率电机控制，机械手抓取与舒张由两台步进电机通过缓慢往复转动带动机械手的夹具装置进行夹紧和舒张。在切割果实与果柄的连接处的同时，控制机械手夹具夹紧菠萝的果实。本篇论文将机械手和收纳箱的位置设置于菠萝果实的上方，与菠萝果实有一定的距离，这是为了方便菠萝采摘机能顺利架在菠萝植株上行动，同时收纳箱也是安装在机械手的后方，并可随时进行拆卸，方便果实的收取。本篇论文所设计的菠萝采摘机有以下几个优点：(1)对待菠萝的植株和菠萝地的沟沿，本文所涉及的菠萝采摘机都能够进行保护，这是因为这款菠萝采摘机的机身比较小，可以在狭窄的菠萝地间隙中行进。(2)采摘机上的机械手和收纳箱的初始位置绝对高于菠萝的果实所处的位置，可以让采摘机顺利从菠萝植株上方通过，架在植株上进行移动。(3)采摘机上的输送导轨的长度可以用来调节三维运动方向上的机械手对于菠萝果实之间的相对距离，以此来对控制机械手爪的位置，实现对采摘机任意方向的菠萝果实的抓取，极大地提高了采摘效率。(4)在采摘机采摘的整个过程中，利用电锯的高速转动下的带动，使刀片可以获得极大的速度，从而实现对菠萝果实颈部的快速切断。保证了果实颈部可一次性切断，同时可以极大地提高了机械效率，保证了采摘过程的顺利完成。第2章菠萝采摘机的机械设计7采摘小车的主要技术参数如下：车身长1150mm,宽976mm,高1300mm,机械手开度120°。2.2末端执行机构设计菠萝的叶子有很多，茎比较短，菠萝植株按照莲座式进行排列，菠萝的叶子像剑形，整个菠萝大约有个1千克多，它的下面是白颜色的，上面是紫颜色的，长大概2厘米，花瓣是椭圆形的，端部是尖的，而且整个果实的表面并不平滑，是有许多锐齿的，果实的腹面石绿颜色的，背面一般是粉绿色的。菠萝的果实实际上是不规则的椭圆球状，如图2-2菠萝的叶子中纤维非常坚韧，可以将其用作于造纸结网、编织、制绳等。菠萝的花一般不结实，宿存的花被裂片围成一个空腔，雄蕊和花柱存在于空腔之中，菠萝可食的部分主要由肉质增大的花序轴和螺旋状排列的外围花来组成，目前，菠萝已经流传到了整个亚带地区。16世纪的时候，菠萝从巴西被传到了中国，其原产于南美洲的巴西和巴拉圭的亚图2-2菠萝形状图菠萝是本篇论文的研究对象，所以需要对菠萝的形状做详细了解。菠萝的形状直接影响末端执行机构的设计，只有将菠萝的高度和大小了解清楚，才能合理的设计菠萝采摘机。测量菠萝果实的大小、轻重及果柄的高度是为了可以更好设计出末端执行器的大小与传送的所需的功率，改善菠萝的采摘效率。同时菠萝的果实长度与宽度会影响到菠萝采摘机收纳箱的大小，菠萝的果柄的横向直径关系到电锯切割的功耗，果实的粗细关系到末端执行机构的角度。本篇论文查阅相关资料得到菠萝果实的直径、质量。论文中随机选取十个菠萝进行测量与称重。果实的结果列入表2-1中。东北电力大学本科毕业论文8表2-1菠萝尺寸测量表测量过程123456789平均直径(cm)10.5高度(cm)15.1通过本文中的实验结果，测定了菠萝果实的高度为15.1cm,直径为12.1cm,果实的平均重量为1.27kg。水果采摘的方法一直都是科研人员研究的项目，研究探讨了以下几种研究方法，将对本篇论文确定我所使用的采摘方法很有帮助。(1)振摇式采摘法。惯性力是由树枝摇晃来产生的，这就需要振动头做一种直线的往复运，这种往复运动是由圆周运动转化而来的，圆周运动是由曲柄滑块机构做动力输出得到的，这种动力是有汽油机来提供的，从而能够对果柄施以弯曲、扭转和拉扯的作用，当果实与树枝之间的结合力小于晃动产生的惯性力时，果实就与果枝脱离掉落。振动与摇晃枝干的频率及幅度对待不同的果实有不同的方式进行。同时也要根据果实的成熟程度、果实与果柄的结合处的作用力的大小等，采用合适的频率及摇晃幅度对果实进行采摘。度不够；水果还会被损伤到。(3)剪切式采摘法。利用刀片或弧形剪刀对准水果的茎部，通过操动手柄，将水果茎多次摘果后会变重；会增加手的疲劳。(4)高枝式采摘法。果实的枝干是可以被抓住的，这就是通过控制使得剪刀进行张合，剪刀是固定在剪杆上的，这就是其采摘的工作原理，这种采摘的方法主要是用来采摘葡萄、果实容易掉下来摔坏；每次操作只能剪一次；杆的长度不够。菠萝的种植时间很长，但是它的采摘工作非常繁重，而且收获季节时主要还是人工进行的。采摘时两到三人分为一组，一个人挑着箩筐另外一人或两个人用小刀割断果柄或者一人徒手握住果实，另一手握住果柄的部位然后折断。这种采收效率低下，并且非常容易为了增加农业的收入，就必须要使得成本费用得到降低、还得保证果实的采收。所以可以看出，从菠萝的种植到收获过程中，采收工作是最麻烦的，最费劲的环节了，因为这种工作强度大，而且成本高，季节性还比较强，同时结合开放式的菠萝果园地面环境，本篇论文设计出一种半自动菠萝采摘机，所设计的菠萝采摘机是一个手推车形式的机器，采第2章菠萝采摘机的机械设计9用该设计可以实现半自动控制采摘。机械手就是人们常说的末端执行机构，机械手采摘的效率问题完全取决于末端执行机构设计是否合理。末端执行机构的机械设计要完全符合国家标准和机械设计准则。而末端执行机构最主要的部分就是机械手爪，机械手爪是直接与菠萝接触的部分，它处于整个机器核心部分的最前端，它的设计结构由其工作内容来决定，比如它需要夹紧菠萝，又不能因此对菠萝有所损伤，而且手爪还需要将菠萝夹住一直送往收纳箱，在此过程中菠萝不可以脱落导致收集失败，所以就必须合理设计手爪的抓取力度和角度。为了可以完美实现对各种各样的菠萝进行采摘，本篇论文必须要考虑每个菠萝之间的差异，尽最大的可能满足到目前为止，一般的末端执行都是专门为采摘不同的水果来设计的。本文提倡使用针对不同的水果采用的不同采摘机器，这样就能够解决通用采摘机器的费用高并且整个机器又很复杂的特点。专门的采摘机器不仅结构是非常容易的，而且对待各种各样的采收工作都能够胜任，工作的效率还很高。所以为了更好的工作，本文设计的采摘机械手必须要满足重量轻。结构紧凑，这样才能够降低机械手爪的负荷。最关键的一点是，采摘机械手爪的精度必须要达到要求，满足各种采摘作业，不管是夹持式的机械手，还是吸附式的机械手。末端执行器是能够直接接触到各种各样的果实的重要机构，对于不同的对象要采取不同的措施。抓取水果蔬菜时，要考虑对于果蔬的损伤，为了避免碰伤果实，可以加上一些安全措施。诸如许多采摘机械的手指内侧都会套上一些橡胶手套或者尼龙材料等避免直接(1)气吸式按照不同种类的工作场地，吸附式的机械手可以是单吸盘的，还可以是双吸盘的和多洗盘的等等，这种机械手的工作条件有很大的限制，比如只能吸附重量比较轻一点的、刚性比较差一点的金属或者纸张、玻璃等等材质的物体。因为这种机械手的吸盘就是用普通橡胶或者是普通塑料做的，在局部形成一定的负压来吸住物体。(2)机械夹持式要在气缸的进气的路上安装一个分流阀，这样才可能够保证两个活塞做同步的运动。工件想要被松开，那么这两个活塞就必须要被弹簧给推到外面，此时是没有压力气体进到是有压力气体进入到里面的。上下料装配工作站采用的是此种末端执行器。本篇论文采用的末端执行机构类型为机械夹持式。(1)整体结构针对菠萝的生长结构，本篇论文设计了一种末端执行机构，如图2-3所示。图2-3末端执行机构本篇论文设计的末端执行机构主要由滚珠丝杠、电机和两个机械手爪组成。其工作原理是由电机转动，带动两个机械手爪转动来夹取菠萝，在三个方向上均安装有滚珠丝杠，可以完成机械手的三维运动方向。如图2-4所示。当未采摘时，机械爪的位置如图2-5所示。在进行采摘时，机械手先根据测好的位置移动到菠萝处，然后通过步进电机的缓慢旋转，进行夹取，效果如图2-6所示。超声波测距超声波测距确定位置机械手抵达位置电机旋转夹住菠萝刀具切割图2-4工作原理图2-5未采摘时机械手爪位置第2章菠萝采摘机的机械设计图2-6采摘时机械手爪位置M6×16的，机械手爪上的螺栓选择为M3×5的。(2)机械爪电机的选择度w=2rad/s,螺杆长度计算螺杆的转动惯量Jg,见式(2-2):②计算电机转速n,见式(2-3):=2N-m=2N-mTr=FS=20×0.1Tmax=Tf+Ta=12.15N·m(4)计算电动机的功率P,见式(2-7):东北电力大学本科毕业论文(5)选择伺服电机伺服电机的额定转矩T>Tmax,伺服电机的额定功率P>34.90w。最后查机械零件手册选定的电动机型号为90YS40GY22。2.3电锯切割机构设计在切割过程中，菠萝果实和果柄之间的结合力大小直接影响电锯切割机构的设计。菠萝采摘机在采摘的过程中，是用外力使得果实和果柄相分离，所以就需要测量菠萝果实和果柄之间的结合力，防止出现作用力过大损坏菠萝果实，同时增加了额外功率；或者作用力过小，在切割的过程中被菠萝果柄卡住电锯。通过试验测定菠萝与果柄之间的结合力是设计电锯切割机构的依据。查阅相关论文得到菠萝与果柄之间的作用力在GDE-500型单柱式拉力试验机上进行测定的结果，测定了菠萝的果实与果柄之间的作用力。把结果输入表2-2中，从表2-2可以看到菠萝果实与果柄的结合力大小平均值是30.5N。表2-2菠萝果实和果柄间的结合力测量过程123456789平均结合力经过实验本文得到了菠萝果实与果柄的连接力大约为30.5N,为接下来的采摘机器设计提供了理论上的数据支持。到目前为止，日本设计了一种采摘机械手，是带吸盘的，切割的时候用吸盘把果实给吸住，然后通过剪切使得果实脱落，但是碰到柔韧性比较好一点的水果就不行了，而且这种机械手在工作的时候是需要很大的空间的，就没办法很好的躲避一些危险的障碍物。还有一种机械手是在面前安装一个半圆切刃，把果实给抱住然后切掉，这是美国研发的。还有的机械手使用两块电极之间产生的高温来切水果，机械手抓住水果，把水果的果柄放在两个电极之间，进行切割，这就是荷兰在研究切割黄瓜的时候发明的双电机切割法。除了以上介绍的切割方法和传统的切割方法之外，还有激光切割和高压水枪切割等等新的技术来分离果实和果柄。这虽可以提高采摘的成功率但采摘效率相应降低，同时增加了机器人结构和控制的复杂性，成本较高。针对以上方式出现的不足之处，结合菠萝生长的实际情况，本篇论文设计了一种圆形刀片，在电机的带动下高速旋转，由超声波测距仪确定好位置，对菠萝果柄处进行切割，如图2-7所示。第2章菠萝采摘机的机械设计目前能够得到国家认可的不锈钢就是304不锈钢，这是食品级的不锈钢。这种不锈钢很好加工和焊接，还能够在大气中不被腐蚀，对于加工、运输和储存都有很好的性能，在高温情况下还没有热处理现象的发生，所以说它的热加工性非常不错，它是一种用途非常广的不锈钢，耐腐蚀又耐热，所以说是应用最为广泛的不锈钢，综合以上资料，本文所设计的刀片就使用304不锈钢了。图2-7圆形刀片电锯切割系统的工作原理是，当超声波测距仪确定好菠萝的位置后，刀片移动到指定位置如图2-8所示。图2-8未切割时电锯位置从表2-2可以得到菠萝果实与果柄的结合力大小平均值是30.5N。所以本篇论文取结合力F=50N,电锯重量M=300g,刀片直径R=75mm,螺杆长度L=38mm,螺杆直径D=16mm,螺杆重量W=100g,机械效率η=0.7,加速时间t=3s由此来选择刀片旋转(1)计算折算到电机轴上的负载惯量东北电力大学本科毕业论文(3)计算电机驱动电锯所需要的扭矩Ty=FR=50×0.075=3.75N-m(4)计算电动机的功率P,见式(2-13):(5)选择伺服电机2.4移动机构设计繁殖新的植株有一种非常好的材料，那就是蘖芽，蘖芽在母株的根部或者是茎基部产生的，有时会产生一个或者多个的蘖芽，母株只会活一段时间后就会死亡，而且菠萝一生中只会开一次花。如图2-9所示。图2-9菠萝种植地菠萝的生长环境决定了菠萝采摘机的移动方式，是选用履带还是轮子。影响菠萝采摘机的移动方式的因素主要是菠萝地的土质情况，其次就是菠萝在播种的时候的排列方式和间距问题。本篇论文仔细查询了菠萝在成熟阶段时，菠萝的土质情况，当菠萝在成长过程第2章菠萝采摘机的机械设计中，土质是十分松软的，菠萝在到了完全成熟的阶段以后，其会吸收土壤中的大量水分，致使菠萝的土质变硬，于是本篇论文初步选择使用三角履带轮做为菠萝采摘机的移动机构。经过反复的计算，本篇论文设计了一款菠萝采摘机的移动机构，如图2-10所示。本篇论文所设计的菠萝采摘机总重量为20千克，共有6个三角履带轮，其中4个为万向履带轮，2个为单向履带轮，经过测量，单个履带与土壤之间的接触面积见式(2-14):三角履带轮与土壤之间接触的总面积见式(2-15):菠萝采摘机对土壤产生的压力见式(2-16):F=mg=20×9.8=196N菠萝采摘机对土壤产生的压强见式(2-17):根据调查，菠萝在成熟阶段时，土壤能够承受的最大压强为2000Pa,如果采用此移动机构进行菠萝采摘时，完全不会发生菠萝采摘机陷入土壤中的情况，使得菠萝采摘工作无法继续进行，所以，采用三角履带轮作为菠萝采摘机的移动机构方案可行。2.5滚珠丝杠设计滚珠丝杠是支撑末端执行机构和电锯切割机构的运动部分，而且其可以把主线运动和回转运动做一个相互的转化，即回转变直线或者是直线变回转，这是一个理想产品，如图各种各样的工业设备和精密一点的仪器都是用到了滚珠丝杠的，因为滚珠丝杠的摩擦力非常小。滚珠丝杠可以实现直线运动，螺母座和螺母将被动工件给连接起来，螺母是能够作直线运动的，它按照转动的角度和丝杆的对应规格的导程，并且在滚珠丝杠作为主动东北电力大学本科毕业论文还能够将扭矩转换成轴向的反复作用力，所以说滑动丝杆的适用性非常广泛，可以将旋转最常用的传动螺纹就是梯形螺纹，因为这种螺纹的对中性是很好的，并且工艺性还不梯形螺纹，按照国家的一些相关的规则，丝杠由螺杆、螺母等等零件组成的。本篇论文设综合以上的特性来看，本篇论文选择采用45钢为螺杆的材料，经调质处理，硬度为(1)螺杆耐磨性的计算根据国家规定可以得到长径比系数Y=1.2~1.5,可以取Y=1.5(梯形螺纹);螺纹牙的工作高度见式(2-18):查询相关的国家标准，许用压强[p]取18MPa,轴向力F=10000N,由公式(2-19)可式中d₂——螺杆中径查询螺杆规格可以知道螺杆小径d₁可以取13cm,螺杆中径d₂可以取16cm,公称直径d可以取18cm,当螺杆的公称直径为10~63mm时，螺距P=6mm。螺母旋合高度计算，见式(2-20):H=ψd₂=1.5×15.36=23.04mm(2-20)故可以取H的值为24mm。第2章菠萝采摘机的机械设计螺母上螺纹的工作圈数见式(2-21):因此，螺纹的工作圈数z可以取4,螺纹牙的工作高度由上式可得为3mm。根据相关的标准可以校核压强p,见式(2-22):对于自锁性，需要进行验算，见式(2-23):螺旋副的当量摩擦角p,可通过计算得到，见式(2-24):P₀=arctanfo=arctan(0.15)=8.53°螺纹升角由计算可以得到，见式(2-25):λ=7.09°<pv=8.53°(2)螺杆强度计算就需要按照第四强度理论来进行。螺杆强度的计算方法可以查阅机械设计手册，见式(2-式中[o]——螺杆材料许用应力T——扭矩扭矩可以通过计算得到，见式(2-27):=22.37N·m东北电力大学本科毕业论文(3)螺纹牙强度计算b=0.65P=0.65×6=3.9mm式中l——弯曲力臂2.5.3滚珠丝杠的电机选择(2)计算电机转速n,见式(2-36):第2章菠萝采摘机的机械设计(3)计算电机驱动电锯所需要的扭矩克服重力时所需的扭矩Tg,见式(2-38):克服加速度产生的转矩Ta,见式(2-39):=39.08N·m最大转矩Tmax见式(2-40):=Tr+Tg+Ta=39.13N-m(4)计算电动机的功率P,(5)选择伺服电机伺服电机额定转矩T>Tmax,选定的电动机型号为Y160M2-2。见式(2-41):伺服电机的额定功率P>11.71kw。最后查机械零件手册2.6收纳箱设计收纳箱是整个菠萝采摘机中唯一能够承装菠萝的装置，本篇论文把收纳箱安装在采摘机后面，同时也是安装在机械手的后方，并可随时进行拆卸，方便果实的收取。当菠萝被切割下来之后，由机械手将菠萝运送至收纳箱处，收纳箱的底板具有30°的斜角，可以使菠萝自动滑落至收纳箱底部，以防止菠萝采摘机在运动的过程中菠萝从收纳箱中掉落出来。2.7小结经过反复的计算，最终，我确定了菠萝采摘机的机械部分的设计，末端执行机构的电机选择为90YS40GY22;电锯切割机构的电机选择为Y112M-2;滚珠丝杠的满足自锁条件，并且螺杆和螺纹牙的强度均满足条件，滚珠丝杠的电机选择为Y160M2-2;收纳箱底板具备30°倾角，这就是我本次设计的机械部分，接下来我将对菠萝采摘机的自控部分进行设计。东北电力大学本科毕业论文3.1超声波定位系统设计很多的物理过程，发射、传播和接收这几个步骤共同构成了超声技术。检测超声，一般是指用超声波来获取信息；功率超声，一般情况下是指使物体或物性发生变化的超声波功率应用，这都是按照超声波的振动幅度大小不同来大致划分的。超声波如果不能自由地向外扩散，就说明受到了外界的限制，是因为相邻介质的尺寸和超声波的波长相近；反之也是如此，超声波如果可以无限的向外扩散，就像处在一种无限的介质当中，这时超声波的波长与超声场相比，超声场就会很大，这就是超声波在超声范围在104～1012Hz,其中通常的频率大约在10⁴~3×10⁶Hz之间。随着整个社会的快速发展与不断进步，对于定位和导航这两种技术人们的需求量是与日俱增的，为的就是能够在复杂的外部环境中，准确的确定各种建筑的位置信息。就目前来看，专家学者提出了许多外部环境定位技术解决方案，如GPS技术、红外线技术、蓝牙目前，应用最为广泛的一种定位技术就是GPS,但是它有很多的缺点，比如一个终端定位器的成本比较高；穿透建筑物的能力非常差；等信号到达地面以后就会变得比较弱，这都是其缺点。另外一种定位技术就是红外线定位技术，但是同样也有很多缺点，比如说其在精确的定位上有局限性，因为其常常受到各种各样的灯光和光线所干扰，而且传输的距离很短，还只能在直线视距里传播。还有一种定位技术就是蓝牙技术，但是用蓝牙定位的困难更高，比如说蓝牙系统的稳定性很差，在一些复杂的空间环境里容易被其他的信号给干扰，况且蓝牙的器件和设备价格都比较昂贵，经济性差。Wi-Fi技术也能用于定位，但是定位器的功耗挺高的，如果一旦出现其他类型的信号，那么就会受到严重的干扰了，所以，精度同样也会受到一定的影响，更何况方圆90米以内的范围是Wi-Fi技术达到的最大区域，所以能够看出覆盖面是非常小的。反之来看超声波，传播的速度比较慢。具有方向性并且抗干扰的能力非常强，这就是超声波的关键点，所以，自己考虑上文所述的各种定位方法，本文选择使用超声波来进行果实的定位。超声波可以在气体、液体和固体中传播，其是一种机械波，具有以下待性[151:(1)超声波是可以像光线一样传播的，沿着直线走，而且传播的能量是比较集中，关键是传播的速度是比较慢的，几乎没有绕射现象，而且频率很高。(2)超声波的振幅是很小的，而且在固体面里的传播力度是很大的，穿透几十米的深度完全没有问题，所以说其在固体里的传播能力是非常强的，加速度非常大，因而可以产(3)在比如黑暗或者有灰尘和烟雾的这种干扰能力比较强的恶劣环境里，或者是电磁超声波定位系统设计中主要研究的是定位方法，现阶段，已经研究出来的超声波定位(1)反射式测距法想要测量出物体的具体位置，就需要计算一下回波和发生波之间的时间差，这就是反射式测距法发出超声波再进行接收超声波来进行物体定位的过程，如图3-1所示。超声波发射器向一个方向发射出超声波，然后计算出这个时候的时间，超声波在传播的过程中和遇到被测物体时都是需要时间的，所以再碰到物体后立即返回来，接收到这个超声波后，再计算出一次时间，这一个来回所消耗的时间就可以算出被测物体的位置。如果所消耗的时间突然发生了明显变化，就说明位置确定，定位完成。这就是经典的反射式发射驱动接受处理接收管单片机图3-1反射式定位法(2)单向定位法应答器会向主测距器发射出超声波，在接受到无线电信号的时候，这样就能计算出各个不同的应答器和主测距器之间的距离，而应答器接受的无心电信号是由主测距器发出的，并且是同频率的，主测距器要在微机指令下才能工作，是放在被测物体上的，所以可以看出，应答器和主测距器共同构成了单向测距法，如图3-2所示。图3-2单向定位法单向测距发可以实现两点测距，当同时有三个或三个以上不在同一直线上的应答器作东北电力大学本科毕业论文出回应时，就可以计算出被测物体所在的位置。在相同的测量距离下，反射式测距法中空气对超声波吸收较单向测距法中大，因此反射式测距范围较单向式测距范围小。由于丘陵和山区地块的分散性，在车身或者电锯切割机构上安装超声波发射器，使菠萝采摘机器具备自动追踪功能，降低人工识别的工作内容。系统的自动追踪功能和确认物体的具体尺寸和方位功能是利用超声波来实现的。首先由安装在车身或者电锯切割机构上的超声波发射器发射出超声波，计算发射出超射波的时间，此时电锯切割机构处在车身顶部的原位置，然后自动控制电锯切割机构向下移动，发出的超声波由接收器接收到以后，会有一个时间，如果这个消耗时间突然发生变化，变得比之前更长后，就说明定位成功，电锯切割机构移动到了菠萝果实与果柄的连接处，自动控制刀片的滚珠丝杠转动，进行切割工作。如图3-3所示，如果超声波接收器接收不到发出的超声波，说明并未定位到菠萝，电锯切割机构继续向下移动。而超声波接收器接收到的超声波时间差会在短时间内出现长短不一的波动，就说明电锯切割机构抵达的位置是菠萝的叶子处，电锯切割机构继续向下移动。当超声波接收器接收到的超声波时间差会出现先长后短再变长的现象，是个均匀递增又递减的过程，说明电锯切割机构抵达菠萝的果实处，电锯继续向下移动。最后，超声波接收器接收到的超声波时间差会突然变长，发生突变现象，说明电锯切割机构抵达果柄处，定位成功，开始切割。如图3-4所示。超声波发射器发射出的超声波是半球面形状，差会在短时间内出现长短不一的波动，就图3-3超声波定位过程第3章菠萝采摘机的自控设计开始开始发出超声波来回时间时间是否变长?果柄定位成功图3-4超声波定位系统工作流程图3.1.6超声波传感器的工作原理超声波传感器是用压电陶瓷来做的，想要产生一个电信号，就必须要施加超声波振动给双压的电晶片元件。双压的电晶片元件是由一个金属片和一个压电陶瓷或者两个压电陶就可以振动压电陶瓷。机械变形的发生就是电压和频率的改变，这就是当压电陶瓷收到电压的作用时产生的现象。压电式、电动式、电容式、磁致伸缩式和气流式都是超声波传感器的各个种类。想要用于接收探头，电信号必须由超声波振动转换而来，在用正压电效应的情况下；想要用于发射探头，就必须能够产生超声波，所以就要产生由高频电振动转换而来的高频机械振动，这就是逆压电效应的现象，这就是压电式超声波的工作，完全是依靠压电材料的压电效应来实现的，这种材料一般用的都是压电陶瓷或者是压电晶体。这就本文所介绍的压电式超声波传感器，因为目前为止，这种类型的传感器是应用最为广泛的一种。如图图3-5压电式超声波传感器结构东北电力大学本科毕业论文#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintEcho=P3^2;bittest;ucharcodetable[]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,};ucharcodetable1[]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};uinttime,timeH,timeL,distance;3.2压力传感器的设计本文选择的传感器是电阻应变式的，需要对其进行简样不同的参数，就必须要能够改变电阻值，只有电阻发生了变化，传感器才会工粘贴在元件变的电阻的组织发生了一些相应的变化，那么就说明弹性元件发生着这种应变的产生，就说明弹性元件受到了物理变化，所以说电阻应变片和弹性元件一同构成了本文介绍的这种传感器。它是目前所有传感器里面用的最多最广泛的一种类型，它的优点很关键，可以满足测量很高精度的工作，在静态和动态的时候携带很方便，而且结构还简单，可以看出，它的历史是非常悠久的。不过还有其他很多的种类，比如说谐振式、电容式、电感式、压阻式、半导体等等各种类有电阻式的传感器好用，为了能够使得抓取的过程可以被控制的零件，有了它，抓取的工作才能更好地进行下去，为之后的控3.2.2电阻应变式传感器的概述第3章菠萝采摘机的自控设计如加速度、温度、扭矩、压力等等，都能够被测量，只要物体被外力的作用发生变形后，这种变形被电阻应变计感受到，然后应变计跟着一起变形，这种变形在转换为电阻值的变化，就能够测量出上文提到的物理量，这就是传感器的工作过程。这种传感器的结构并不唯一，可以设计成多种多样的，这也就恩能够满足各种各样具体的测量条件，它的主要部件就是弹性元件和电阻应变计。如图3-6所示。图3-6电阻应变式传感器3.2.3电阻应变式传感器的工作原理被测物理量的大小是由电量的变化大小反映出来的，电量输出又是被一种转换电路给转换过来的，应变计的阻值一旦发生变化，那就说明弹性元件受到了被测物体的外力作用，发生了变形。传感器的构成很关键，也很简单，就是把电阻应变计粘贴到弹性元件上即可，它的工作原理就是把形状的变化转换成电阻阻值的变化，这就是电阻式传感器。3.2.4电阻应变式传感器的测量电路电阻应变片式电阻应变式传感器的核心元件，其工作原理是基于材料的电阻应变效应，电阻应变片即可单独作为传感器使用，又能作为敏感元件，再结合弹性元件就能构成力学上文提到转换电路，这里说明一下转换电路，测量电桥就是经常使用的转换电路。想要得到电压或者是电流的变化，就必须要将应变片的△R/R给转化，这就需要利用转换电路来完成。这是因为由电阻应变片把机械信号转换成了△R/R以后，处理起来比较麻烦，这是因为不能做到直接精确的测量，这种电阻变化都是非常微小的，所以无法实现。这就需要转换电路来转换了。在使用测量电桥的时候，必须要再使用一个放大器，这个放大器必须是高稳定性和高增益的来放大才可以，这是因为电桥的机械信号输出的太小了，无法接受到，所以必须放大。但是这种信号的抗干扰能力非常强，完全不受任何元件和导线的干扰，还不会受到电容和电感的干扰，很适用。如图3-7所示，为直流供电的平衡电阻电桥，E;m接直流电源E:东北电力大学本科毕业论文图3-7传感器结构原理图uo=UBD=UAB—UADu₀=0,即电桥平衡。式(3-2)称平衡条件。第3章菠萝采摘机的自控设计个电阻，这四个电阻都是应变片类型的，如果一旦出现电压输出，就说明电桥的输出是为零，这就是在电阻一旦达到相应的关系后出现的现象，还能够用灵敏测量计来测量，这是其特点。而电桥的一个对角线接的是工作电压，另外一个对角线接的是输出的电压。这就是桥式测量电路的四个电阻。3.2.6电阻应变片中敏感栅的选择在过去，占主导地位的是丝式应变片，但是因为金属箔式的应变片具有太多丝式没有的优点，比如说可以在短时间内生产很多金属箔式的应变片，而且还容易加工，做成各种各样的形状，使用的寿命是很长的，测量的灵敏度也很高，能够承受更大的电流，散热的性能也不错，这些优点使得金属箔式的应变片的适用范围是越来越广泛，已经超过丝式应变片。而且金属箔式的应变片可以更好的跟随被测物体一同变形，它的敏感栅面积很大，更够跟好的粘贴，减少了横向的效应，这是因为其横向直径非常大。利用光刻和腐蚀的技术可以制造敏感栅，厚度是只有0.01~0.10mm,所以可以看出，在选择敏感栅的时候必须在主控台控制菠萝采摘机械手爪移动到菠萝处的时候，菠萝采摘机械手的电动机开始旋转，控制机械手转动对菠萝进行抓取工作，本篇论文选择的电动机的功率为40W,虽然本篇论文选择的电动机功率很小，但是依然会对菠萝造成不小的损害，所以为了不让菠萝在被采摘的过程中遭受损伤，需要对机械手的抓取力进行自动控制。本篇论文所设计的菠萝采摘机械手爪的抓取力范围为15N~20N,这个范围的抓取力可以使得菠萝既不会在被抓取的过程中突然脱落，还不会对菠萝造成任何的损伤，所以抓取力一定不得低于15N,并且不得超过20N。菠萝采摘机械手爪是匀速转动的，当机械手爪抓住菠萝后会继续对菠萝进行施压，此时由电阻应变式传感器来测量抓取力大小，直到抓取力达到15N~20N这个范围内后，电阻应变式传感器就会自动控制机械手爪的电动机停止旋转，保持在原位置，使得机械手爪完成对菠萝的抓取工作，如图3-8所示。然后由超声波定位系统引导电锯切割机构准确达到菠萝果柄处，并实施切割工作，在此过程中，机械手爪的抓取力要保持不变，在切割过程中难免会对机械手爪的抓取力产生影响，此时电阻应变式传感器要时刻测量抓取力的大小，以防菠萝出现脱落的情况，切割完毕后，由机械手将菠萝抓取至收纳箱，抵达收纳箱后机械手松开，抓取力降为0,电阻应变式传感器的工作结束。开始开始电机旋转机械手转动传感器工作N抓住菠萝电机停止图3-8电阻应变式传感器的工作流程图经过反复的选择，最终，我确定使用超声波来对菠萝的位置进行定位，超声波发射器发射出超声波，计算发射出超射波的时间，此时电锯切割机构向下移动，发出的超声波由接收器接收到以后，如果这个消耗时间突然变得比之前更长后，就说明定位成功，电锯切割机构进行切割工作；在机械手爪的传感器方面，我选择使用电阻式压力传感器，通过压力的变化使得传感器中的电阻阻值发生变化，进而控制机械手的工作，以上就是我的自控本篇论文所设计的成果可以大大减少劳动成本，提升劳动效率，不会污染环境。从经济成本方面分析，整个菠萝采摘机所使用的材料都是常见材料，成本不会很高。首先本篇论文研究了菠萝的尺寸大小和重量。通过论文中的实验结果，测定了菠萝果实的高度为15.1cm,直径为12.1cm,,果实的平均重量为1.27kg。同时得到了菠萝果实与果柄的连接力大约为30.5N。本篇论文设计的菠萝采摘机车身长1150mm,宽976mm,高1300mm,对于菠萝采摘机械手的设计，经过计算，本篇论文选择的电机型号为90YS40GY22。对于电锯切割机构的设计，本篇论文设计的刀片采用304不锈钢，经过计算，本篇论文选择的电机型号为Y112M-2。对于移动机构的设计，主要分为轮子和履带，结合菠萝的实际生长环境，本篇论文选择三角履带轮作为菠萝采摘机的移动机构，经过计算，其对土地的压强符合要求。对于滚珠丝杠来说，本篇论文主要计算了滚珠丝杠的电机选择和对其进行强度校核，经过计算，本篇论文选择的电机型号为Y160M2-2,本篇论文对滚珠丝杠中的螺杆的耐磨性进行了计算，并且计算得到自锁性符合条件，而且螺杆和螺纹牙均满足强度条件。对于收纳机械设计部分。最后，本篇论文设计的电锯定位系统是利用超声波来实现。对于机械手抓取时，本篇论文设计了电阻式应变式传感器，来感知抓取力是否超过既定的范围，过小菠萝会容易脱落，而过大则会对菠萝造成损伤。以上，就是本篇论文全部的菠萝采摘机的设计内容与过程。东北电力大学本科毕业论文参考文献inGreenhouse[J].IFAC-PapersOnLine,2016(16):161-165.[2]BlochV,DeganiA,BecharA.Amethodologyoforchardarchitecturedesignforanoptimalharvestingrobot[J].BiosystemsEngineering,2018(16):126-137.[3]ZhaoY,GongL,HuangY,etal.Areviewofkeytechniquesofvision-basedcontrolforharvestingrobot[J].Computers&ElectronicsinAgriculture,2016(C):311-323.[4]CaiJianrong,ZhaoJiewen.Recognitionofmaturefruitinnaturalvision[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2006(2):61-64.[5]FangJianjun.OpenArchitectureControlSy