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草莓收割机设计报告书
《设计报告书》
——草莓收割机
姓名: 李杨 24 卓莹 26
段祖胜 29 陈云哲 25
班级: 工业设计122班
课程名称:
指导教师: 陶然 张生芳
前期调研
随着草莓种植的推广。国内草莓种植面积迅猛增加,收获劳动力不足。严重制约草莓 种植的发展,因此有必要进行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。草莓在世界绝大多数地区都有种植,因其甜美的味道及丰富的营养价值,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。其草莓采摘机器人国内外发展状况国外研究现状 国外自动化采摘设备发展十分迅速。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,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;由是全自动作业,每小时可分选草莓5300多公斤。目前研制草莓采摘机器人用于国内棚载草莓的收获,使其具有使用价值,需要在以下 两个方面进行努力: 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,覆盖范围广的机械手臂; 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行设计和研究。
研究内容
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。
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,若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;同时气动、液压成本高,不符合我国农业生产现状。因此,使用电动 装置成为最佳选择。 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,而在比较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,在设定好的时间内装满后,由工作 人员更换小框。整个执行机构都安装在小车上,可以进行固定距离的移动。
草莓采摘机器人五自由度机械臂设计1)遵循工业机械臂的基本选型原则,工业机械臂主要有四种形式(图 3-1) ,其具体 功能特点如下 : (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 面积小,缺点是刚度精度差。
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