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《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。