草莓采摘机器人机械结构设计说明.doc
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1、草莓采摘机器人机械结构设计摘要随着草莓种植的推广。国草莓种植面积迅猛增加,收获劳动力不足。严重制约草莓种植的开展,因此有必要进展智能草莓采摘机器人研究,来替代人来完成该项费时、费力的采摘工作。草莓采摘机器人要求能自动检测成熟草莓的位置信息,然后根据这些信息控制机器人的执行机构动作,实现草莓采摘的自动化。本文首先综合表达了草莓生产现状以与草莓采摘机器人国外研究状况,再根据国北方地垄式草莓种植的情况,设计出草莓采摘机器人机械本体,提出一种五自由度关节型草莓采摘机械手臂,五个自由度分别为:腰转、肩转、肘转、腕转和腕摆,并开发了一种末端执行器的结构形式,该末端执行器主要由伺服电机、曲柄滑块机构、动夹、
2、镍铬电热丝组成,不以草莓果实作为抓取目标,而是夹切草莓果柄,不伤害果实,同时采用镍铬电热丝切割果柄可以防止切口感染细菌而腐烂,影响果实品质。与此同时,还在solidworks中构建了草莓采摘机器人、末端执行器的三维模型,还生成了相关重要部件的工程图,便于后期的使用。关键字: 草莓采摘机器人,机械本体,五自由度草莓采摘机械手臂,末端执行器Strawberry picking robot mechanical structure designAbstract:With the popularization of the strawberry. The strawberry planting are
3、a increased rapidly, the harvest labor shortage. Development is restricted by the strawberry, it is necessary to carry out intelligent strawberry harvesting robot, instead of people to complete the time-consuming, laborious harvesting. Strawberry picking robot position information requirements can a
4、utomatically detect ripe strawberry, then according to these information to control the robot actuator, realize the automation of picking strawberry.This paper describes comprehensively the research status at home and abroad as well as the robot strawberry production status of strawberry picking, th
5、en according to the North ridge type strawberry planting conditions, calculate and design the appropriate size of the strawberry picking vehicle body, put forward a kind of five degrees of freedom articulated strawberry picking manipulator, and the development of the structure of an end effector. At
6、 the same time, the author constructs a 3D model, strawberry picking robot end effector in SolidWorks, also generated the end effector and the mechanical arm of the engineering drawing, convenient for later viewing and processing.Key words: Strawberry picking robots; Mechanical body;Five degree of f
7、reedom manipulator;The end effector目 录1 绪论11.1 引言11.2 工作环境和作业要求11.3 草莓采摘机器人国外开展状况21.3.1国外研究现状21.3.2 国研究现状21.4 研究的目标和容31.4.1 研究目标31.4.2 研究容32 草莓采摘机器人机械本体设计33 草莓采摘机器人五自由度机械手臂设计43.1 采摘机器人机构选型原那么43.2 机械臂的设计53.2.1 设计要求53.2.2 机械手臂的选择63.3 机械手手腕的设计63.3.1 手腕设计的根本要求73.3.2 草莓采摘机械手手腕的结构型设计73.4 机械手的结构型式73.5 机械手运
8、动学方程的建立83.5.1 正运动学模型83.5.2 逆运动学模型104 草莓采摘机器人末端执行器设计134.1 末端执行器介绍134.2 末端执行器的分类134.2.1 两个手爪的末端执行器134.2.2 两个以上手爪的末端执行器144.3 夹持式末端执行器的选型144.3.1 夹持式末端执行选择的根本要求144.4 末端执行器的结构型式和工作原理144.4.1 整体结构154.4.2 工作原理154.5 主要部件设计164.5.1 传动局部设计164.5.2 抓取和切断机构设计175 结论与建议175.1 结论175.2 工作展望和建议17参考文献18致19草莓采摘机器人机械结构设计1 绪
9、论1.1 引言草莓在世界绝大多数地区都有种植,因其甜美的味道与丰富的营养价值,颇获大家喜欢。其中我国草莓种植面积达10万公顷。然而为了保证草莓的外观品质和营养价值,必须在收获季节每天早晚时刻挑选并采摘草莓果实。其劳动强度之大,本钱之高,约占草莓种植生产本钱的四分之一。因此减轻劳动强度,降低生产本钱,成了草莓收获的重中之重。日本率先研制出以高架栽培为种植模式的草莓采摘机器人1,Kondo 等人于2010年研制的草莓采摘机器人单循环作业用时11.5s,采摘成功率约41.3%。国徐丽明、铁中等人针对垄作式草莓种植的自动化采摘设备进展了研究2。不过上述自动化采摘设备在机械手爪定位精度,采摘作业效率,果
10、实无损采摘等方面距离实际需要还有一定不足。本文针对地垄栽培模式下草莓的生长方式,对草莓收获机器人的主要组成单元采摘机器人机械本体、机械手臂和机末端执行器进展研究并设计模型,达到对一定围成熟草莓进展无损伤采摘。1.2 工作环境和作业要求我国大多数草莓种植是垄作栽培模式,地垄截面成等腰梯形,垄顶宽400 mm,垄底宽600 mm,高250 mm3。草莓植株生长于垄顶部,果实长出后伏在垄侧面,成熟草莓果实上方一段果柄与垄侧壁有10 20 mm间隙,相邻两垄间为宽度约500 mm 的垄沟( 图1-1) 。本文要求在现有农艺条件下,设计出适宜尺寸的车身模型,设计出可以达到垄面一定围的机械手,以与可以高效
11、且少伤果实的末端执行器。21a354(b( a) 草莓田实景 ( b) 地垄截面 1 垄沟2地垄3果柄4草莓果实5垄侧面图1-1垄作栽培模式下的草莓田间环境1.3草莓采摘机器人国外开展状况1.3.1国外研究现状国外自动化采摘设备开展十分迅速。自从1983年在美国诞生了第一台西红柿采摘机器人,采摘机器人的开发和研究已经有二十多年的历史,期间摘苹果、柑桔、西红柿、西瓜和葡萄等机器人相继在日本和欧美等多家研制成功。对于草莓采摘机器人的研究,目前处于初级阶段。1 日本Kondo等人针对草莓的不同栽培模式高架栽培模式和传统栽培模式研制出了相应得采摘机器人4。高架栽培模式由于适合机器人作业被越来越多地采用
12、,该机器人采用5自由度采摘机械手,视觉系统与西红柿采摘机器人类似,机械手采用真空系统和切割器组成。收货时,由视觉系统计算采摘目标的空间位置,接着采摘机械手移动到预定位置,机械手向下移动直到把草莓吸入;由光电开关检测草莓的位置,当草莓位于适宜位置时,腕关节移动,果梗进入指定位置,由切割器旋转切断果梗,完成采摘。2 日本宫崎大学研制设计了高地隙跨垄作业4自由度的草莓收获机器人5。该机器人采用两个CCD照相机获取草莓的图像,计算出草莓的中心方向,用激光传感器测量手爪到草莓的距离,通过采用两个直的手指来抓取草莓果柄,防止了对果实的伤害。采用切刀切断果柄。1.3.2 国研究现状1 草莓选果机6。栃木县农
13、业试验场开发了非常实用的草莓选果机。该设备可根据每一个草莓的含糖量和果实大小进展选择,并可以把选好的草莓装入塑料袋,整个过程是全自动作业,每小时可分选草莓5300多公斤。农业大学运用双目立体视觉技术,对图像的二维直方图进展腐蚀、膨胀、去除小团块,用拟合曲线实现彩色图像的分割,既而别离果实,并将二维图像恢复成三维坐标,实现了果实定位7。2 大学梁喜凤等人对采摘机器人的机械手做了一定的研究,提出了评价采摘机械手工作性能的性能指标;工作空间、可操作度、避障能力、冗余空间与姿态多样性。3 中国农业大学应用草莓图像的彩色模型中的特定通道信息,对成熟草莓进展了识别,并初步建立了桥架式直角坐标机器人,还在水
14、果采摘机器人三维视觉系统的过程中,提出了一种基于果实外表颜色色彩空间参照表的果实目标识别新方法,使计算机系统适用多种果实8。目前,草莓采摘机器人的智能水平还很有限,不管是国还是国外的草莓采摘机器人,离商品化和实用化还有一定的差距。差距如下:1 没有设计出合理的末端执行器,抓取过程中容易损伤草莓的果皮;2 没有设计出理想的机械手,很难达到有效的采摘围;3 采摘效率不高,误差大。1.4 研究的目标和容1.4.1 研究目标目前研制草莓采摘机器人用于国棚载草莓的收获,使其具有使用价值,需要在以下两个方面进展努力:1) 研究结构合理,柔韧度高,不伤果皮的末端执行器;2) 研究结构简单,覆盖围广的机械手臂
15、;3制定出高效的采摘方案,使采摘效率要高于人工采摘效率。针对以上三点,本文将选择产量高、规模大的北方温室大棚垄作栽培的草莓为研究对象,对草莓采摘机器人进展设计和研究。1.4.2 研究容本文对草莓采摘机器人的设计和研究包括以下几个方面:1 机械本体设计;2 五自由度机械手臂设计;3 末端执行器设计。2 草莓采摘机器人机械本体设计根据上述工作环境和作业要求,草莓栽培温室具有温度高、沟垄窄而面不平整、垄面低矮等特点,标准温室沟垄略宽且平整,垄面也略高一些。基于这些特点,草莓采摘机器人要求做到以下几点: 1) 温室大棚中农民行走的路面较窄,假设采用气动或液动作为动力源,气泵或液压缸个体较大,不宜搬移;
16、同时气动、液压本钱高,不符合我国农业生产现状。因此,使用电动装置成为最正确选择。 2) 为了提高生产效率,温室的草莓种植情况,如垄面宽、垄沟宽、沟深并非采取标准尺寸,且可能比标准尺寸更小;同时沟面不平整。因此,在沟面不平整的温室中采用跨垄式或者悬挂式移动机构,而在比拟标准的温室中可以采用四轮驱动行走机构。本设计采用跨垄四轮行走机构,其实物如图2-1所示。本体设计以步进电机作为动力装置,根据驱动器发出的脉冲信号驱动机器人沿沟垄前进。在机身的上方是五自由度机械手臂,用伺服电机作为动力源,根据驱动器发出的脉冲信号,使机械手臂达到指定位置。同时在机械手下方安装一个小框,用于放置草莓果实,在设定好的时间
17、装满后,由工作人员更换小框。整个执行机构都安装在小车上,可以进展固定距离的移动。图2-1 草莓采摘机器人三维模型3草莓采摘机器人五自由度机械臂设计采摘机器人既要遵循工业机器人的机械臂机构,又要依据不同的采摘对象做出合理的选择。因此本文将机械手分两个模块来进展选型和设计,即手臂和手腕。手臂是支撑末端执行器的重要器件,使其可以在固定的围移动,并可以将采摘到的草莓送到小框9。手腕的作用是在机械手臂运动的根底上进一步改变末端执行器在空间的方位,使机械手变得更灵巧,适应性更强。3.1 采摘机器人机构选型原那么由于草莓种植环境的复杂性,不确定性和果实分布的无规那么,采摘机械手在选型上既要遵循工业机械手的根
18、本原那么,又要考虑其作物的特殊性。从而得出如下选型原那么: 1遵循工业机械臂的根本选型原那么,工业机械臂主要有四种形式图3-1,其具体功能特点如下1012:1直角坐标型:其外形轮廓与数控镗铣床相似,3个关节都是移动关节,关节轴线相互垂直。这种形式的主要特点是刚性好、精度高,缺点是占地面积大,工作空间小。(2) 圆柱坐标型:选型机械臂前三个关节为两个移动关节和一个转动关节。这种形式的机器人占用空间,结构简单。(3) 极坐标型:具有两个转动关节和一个移动关节。改型机器人的有点是,灵活性好,占地面积小,但刚度、精度教差。(4) 关节坐标系 :前三个关节都是回转关节,特点是动作灵活,工作空间大,占地面
19、积小,缺点是刚度精度差。图3-1 工业机械臂形式2) 基于具体的采摘要求,机械手要具有较好的采摘能力。包括:(1) 最优的工作空间。工作空间越大,采摘围越广,通用性也就越好。(2) 具有较好额避障能力。果实采摘过程中,机械手能避开障碍物。(3) 机械手设计合理。假设机构设计不合理,可能会出现运动干预或驱动装置无法设置,机构不能运动等问题。在满足要求的前提下,尽量采用特殊机构的机械手机构,使相邻运动副的轴线相互平行或正交。(4) 农业机器人要求操作简单,本钱低廉,因此尽量采用冗余度少,机构简单的形式。3.2 机械臂的设计3.2.1 设计要求机械手的手臂是采摘机器人的主要执行元件,其作用是支撑末端
20、执行器和腕部并改变末端执行器在空间的位置。由于机械手臂的重量比拟大,受力比拟复杂,在采摘草莓时受到腕部、手爪和草莓的静动载荷,引起电位准确性。机械手手臂的机构形式的设计要根据机器人的运动形式、抓取草莓的重量,自由度以与运动精度来决定。因此设计机械手手臂是应该考虑一下几个要点的13: 1) 手臂的结构和尺寸应该满足采摘草莓时作业空间的要求。作业空间的形状和大小与手臂的长度、关节转角的围密切相关: 2) 根据手臂承受的载荷和结构的特点,合理选择手臂的材料; 3) 机械手手臂的运动速度要高,惯性要小。草莓采摘机械手的设计一方面要考虑机器人本身的价值和使用者的经验和教育水平,另一方面还要考虑草莓的生长
21、特性。3.2.2 机械手臂的选择采摘机器人机械手的手臂用来决定末端执行器的位置,同时它对物体的姿态也有一定的影响。针对草莓的生物学特性、栽培的方式和机械手机构选型的原那么与工作特性,本文选择的是多关节机械手臂。由于机械手采摘草莓的形状近似为圆柱体或球体,那么四个自由度的机器人就可以完成机器人的采摘任务。为使采摘机器人有更好的作业能力,本文设计的机械手具有五个自由度,其中机器人的机械化手臂具有三个旋转的自由度,手腕具有两个自由度。三个转动自由度机械手臂结构紧凑,灵活度大大的提高,在作业空间手臂的干扰比拟小,机械手臂的工作空间围也会加大。但这种类型的机械手臂在进展控制时计算量大,位置精度不高与确定
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